Мышцы человека и их функции

Скелетная мышца представляет собой сложную систему, преоб­разующую химическую энергию в механическую работу и тепло. В настоящее время хорошо изучены молекулярные механизмы этого преобразования.

Мышцы человека и их функции

Структурная организация мышечного волокна. Мышечное во­локно есть многоядерной структурой, окруженной мембраной и содержащей специализированный сократительный аппарат — миофибриллы. Также, наиболее значимыми компонентами мышечного волокна являются митохондрии, системы продольных трубочек — саркоплазматическая сеть (ретикулум) и система поперечных тру­бочек — Т-система. Функциональной единицей сократительного аппарата мышечной клетки есть саркомер (рис. 2.20,А); из саркомеров состоит миофибрилла. Саркомеры отделяются друг от друга Z-пластинками. Саркомеры в миофибрилле расположены по­следовательно, исходя из этого сокращение саркомеров вызывает сокраще­ние миофибриллы и общее укорочение мышечного волокна.

Изучение структуры мышечных волокон в световом микроскопе разрешило распознать их поперечную исчерченность. Электронно-мик­роскопические изучения продемонстрировали, что поперечная исчерчен­ность обусловлена особенной организацией сократительных белков миофибрилл — актина (молекулярная масса 42 000) и миозина (молекулярная масса около 500 000). Актиновые филаменты представ­лены двойной нитью, закрученной в двойную спираль с шагом около 36,5 нм. Эти филаменты длиной 1 мкм и диаметром 6—8 нм, количество которых достигает около 2000, одним концом прикреп­лены к Z-пластинке. В продольных бороздках актиновой спирали находятся нитевидные молекулы белка тропомиозина. С шагом, равным 40 нм, к молекуле тропомиозина прикреплена молекула другого белка — тропонина. Тропонин и тропомиозин играются важ­ную роль в механизмах сотрудничества актина и миозина. В сере­дине саркомера между нитями актина находятся толстые нити миозина длиной около 1,6 мкм. В поляризационном микроскопе эта область видна в виде полосы чёрного цвета (благодаря двойного лучепреломления) — анизотропный А-диск. В центре его видна более яркая полоса Н. В ней в состоянии спокойствия нет актиновых нитей. По обе стороны А-диска видны яркие изотропные полосы — I-диски, образованные нитями актина. В состоянии спокойствия нити актина и миозина незначительно перекрывают друг друга так, что неспециализированная протяженность саркомера образовывает около 2,5 мкм. При электронной микроскопии в центре Н-полосы найдена М-ли-ния — структура, которая удерживает нити миозина. На поперечном срезе мышечного волокна возможно заметить гексагональную органи­зацию миофиламента: любая нить миозина окружена шестью ни­тями актина (рис. 2.20, Б).

Мышцы человека и их функции

При электронной микроскопии видно, что на боковых сторонах миозиновой нити обнаруживаются выступы, названные поперечных мостиков. Они ориентированы по отношению к оси миозиновой нити под углом 120°. В соответствии с современным представ­лениям, поперечный мостик складывается из головки и шейки. Головка получает выраженную АТФазную активность при связывании с актином. Шейка владеет эластическими свойствами и представляет собой шарнирное соединение, исходя из этого головка поперечного мостика может поворачиваться около своей оси.

Применение микроэлектродной техники в сочетании с интер­ференционной микроскопией разрешило установить, что нанесение электрического раздражения на область Z-пластинки ведет к сокращению саркомера, наряду с этим размер территории диска А не изменяется, а величина полос Н и I значительно уменьшается. Эти наблюдения кожный покров­тельствовали о том, что протяженность миозиновых нитей не изменяется. Аналогичные результаты были взяты при растяжении мускулы — личная протяженность актиновых и миозиновых нитей не изменялась. В следствии этих опытов стало известно, что изменялась об­ласть взаимного перекрытия актиновых и миозиновых нитей. Эти факты разрешили Н. Huxley и A. Huxley предложить независимо друг от друга теорию скольжения нитей для объяснения механизма мышечного сокращения. В соответствии с данной теории, при сокращении происходит уменьшение размера саркомера благодаря активного перемещения узких актиновых нитей относительно толстых мио­зиновых. В настоящее время узнаны многие детали этого меха­низма и теория взяла экспериментальное подтверждение.

Механизм мышечного сокращения. В ходе сокращения мы­шечного волокна в нем происходят следующие преобразования:

А. Электрохимическое преобразование:

2. Распространение ПД по Т-системе.

3. Электрическая стимуляция территории контакта Т-системы и саркоплазматического ретикулума, активация ферментов, образование инозитолтрифосфата, увеличение концентрации внутри клетки ионов Са2+.

Б. Хемомеханическое преобразование:

4. Сотрудничество ионов Са2+ с тропонином, освобождение ак­тивных центров на актиновых филаментах.

5. Сотрудничество миозиновой головки с актином, вращение го­ловки и развитие эластической тяги.

6. Скольжение нитей актина и миозина относительно друг друга, уменьшение размера саркомера, развитие напряжения либо укоро­чение мышечного волокна.

Передача возбуждения с двигательного мотонейрона на мышечное волокно происходит посредством медиатора ацетилхолина (АХ). Сотрудничество АХ с холинорецептором концевой пластинки ведет к активации АХ-чувствительных каналов и появлению потенциала концевой пластинки, который может быть около 60 мВ. Наряду с этим область концевой пластинки делается источником раздражающего тока для мембраны мышечного волокна и на участках клеточной мембраны, прилегающих к концевой пластинке, появляется ПД, который распространяется в обе стороны со скоростью приблизительно 3—5 м/с при температуре 36 oС. Так, генерация ПД есть первым этапом мышечного сокращения.

Вторым этапом есть распространение ПД вовнутрь мы­шечного волокна по поперечной системе трубочек, которая является связующим звеном между поверхностной мембраной и сократитель­ным аппаратом мышечного волокна. Т-система тесно контактирует с терминальными цистернами саркоплазматической сети двух со­седних саркомеров. Электрическая стимуляция места контакта при­водит к активации ферментов, расположенных в месте контакта и образованию инозитолтрифосфата. Инозитолтрифосфат активирует кальциевые каналы мембран терминальных цистерн, что ведет к выходу ионов Са2+ из цистерн и увеличению концентрации внутри клетки Са2+ с 107до 105 M. Совокупность процессов, при­водящих к увеличению концентрации внутри клетки Са2+ состав­ляет сущность третьего этапа мышечного сокращения. Так, на первых этапах происходит преобразование электриче­ского сигнала ПД в химический — увеличение концентрации внутри клетки Са2+, т. е. электрохимическое преобразование.

Мышцы человека и их функции

При увеличении концентрации внутри клетки ионов Са2+ тропомиозин смещается в желобок между нитями актина, наряду с этим на актиновых нитях раскрываются участки, с которыми смогут взаимодействовать поперечные мостики миозина. Это смещение тропомиозина обусловлено трансформацией конформации молекулы белка тропонина при связывании Са2+. Следовательно, участие ионов Са2+ в механизме сотрудничества актина и миозина опосредовано через тропонин и тропомиозин.

Значительная роль кальция в механизме мышечного сокращения была доказана в опытах с применением белка экворина, который при сотрудничестве с кальцием излучает свет. По окончании инъекции экворина мышечное волокно подвергали электрической стимуляции и в один момент измеряли мышечное напряжение в изометрическом режиме и люминесценцию экворина. Обе кривые полностью кор­релировали между собой (рис. 2.21). Так, четвертым этапом электромеханического сопряжения есть взаимодейст­вие кальция с тропонином.

Мышцы человека и их функции

Следующим, пятым, этапом электромеханического сопря­жения есть присоединение головки поперечного мостика к актиновому филаменту к первому из нескольких последовательно расположенных стабильных центров. Наряду с этим миозиновая головка поворачивается около своей оси, потому, что имеет пара ак­тивных центров, каковые последовательно взаимодействуют с соот­ветствующими центрами на актиновом филаменте. Вращение голов­ки ведет к повышению упругой эластической тяги шейки по­перечного мостика и повышению напряжения. В любой конкретный момент в ходе развития сокращения одна часть головок попе­речных мостиков находится в соединении с актиновым филаментом, другая свободна, т. е. существует последовательность их взаимо­действия с актиновым филаментом. Это снабжает плавность процесса сокращения. На четвертом и пятом этапах происходит хемомеханическое преобразование.

Последовательная реакция соединения и разъединения головок поперечных мостиков с актиновым филаментом ведет к сколь­жению узких и толстых нитей относительно друг друга и умень­шению размеров саркомера и общей длины мускулы, что есть шестым этапом. Совокупность обрисованных процессов образовывает сущность теории скольжения нитей

Первоначально полагали, что ионы Са2+ являются кофактором АТФазной активности миозина. Предстоящие изучения опровер­гли это предположение. У покоящейся мускулы актин и миозин фактически не владеют АТФазной активностью. Присоединение головки миозина к актину ведет к тому, что головка получает АТФазную активность.

Гидролиз АТФ в АТФазном центре головки миозина сопро­вождается трансформацией конформации последней и переводом ее в новое, высокоэнергетическое состояние. Повторное присоединение миозиновой головки к новому центру на актиновом филаменте снова ведет к вращению головки, которое обеспечивается за­пасенной в ней энергией. В каждом цикле соединения и разъ­единения головки миозина с актином расщепляется одна молекула АТФ на любой мостик. Быстрота вращения определяется скоро­стью расщепления АТФ. Разумеется, что стремительные фазические во­локна потребляют намного больше АТФ в единицу времени и сохраняют меньше химической энергии на протяжении тонической нагрузки, чем медленные волокна. Так, в ходе хемомеханического преобразования АТФ снабжает разъедине­ние головки миозина и актинового филамента и энергетику для предстоящего сотрудничества головки миозина с другим участком актинового филамента. Эти реакции вероятны при концентрации кальция выше 106М.

Мышцы человека и их функции

Обрисованные механизмы укорочения мышечного волокна разрешают высказать предположение, что для расслабления прежде всего нужно по­нижение концентрации ионов Са2+. Экспериментально было доказа­но, что саркоплазматическая сеть имеет особый механизм — кальциевый насос, который деятельно возвращает кальций в цистерны. Активация кальциевого насоса осуществляется неорганическим фос­фатом, который образуется при гидролизе АТФ, а энергообеспечение работы кальциевого насоса кроме этого за счет энергии, образующейся при гидролизе АТФ. Так, АТФ есть вторым наиболее значимым причиной, полностью нужным для процесса расслабления. Неко­торое время по окончании смерти мускулы остаются мягкими благодаря пре­кращения тонического влияния мотонейронов (см. главу 4). После этого концентрация АТФ понижается ниже критического уровня и возмож­ность разъединения головки миозина с актиновым филаментом исче­зает. Появляется явление трупного окоченения с выраженной ригидно­стью скелетных мышц.