Механизм мышечного сокращения

Благодаря снятию ионами кальция тропомиозиновой блокады активных центров F-актина с ними взаимодействуют миозиновые головки - они совершают гребковые движения к центру саркомера. Го- ловка временно прикрепляется к актиновой нити и наклоняетсяна своем стебельке (рис. 5.11), смещая миозиновую нить вдоль актиновой (как локомотив тянет железнодорожный состав по рельсам) на один шаг (примерно на Ю нм). Вместе с тем актин активирует способность миозина в качестве АТФазы гидролизовать АТФ. При взаимодействии с актином каждая миозиновая молекула ежесекундно гидролизует до Ю молекул АТФ. Следовательно, головки молекул миозина обеспечивают как связывание толстых нитей с тонкими, так и гидролиз АТФ. В конце гребка миозиновой головки по актиновой нити к молекуле миозина присоединяется новая молекула АТФ, что приводит к отделению головки от актина. При последующем гидролизе АТФ происходит восстановление исходной конформации миозиновой молекулы, благодаря чему её головка может снова присоединиться к актиновой нити, но уже ближе к центру саркомера, чем при предыдущем взаимодействии с ней.

В каждом толстом филаменте содержится около 500 миозино- вых головок. Каждая из них при быстром сокращении мышцы совершает примерно 5 циклических гребков (смыканий и размыканий поперечных мостиков) в I с. Естественно, что не все мостики работают одномоментно: одни замыкаются на актиновых нитях, другие в этот миг отделены от них. По расчетам М.В. Волькенштейна, каждый мио- зиновый мостик должен создавать усилие порядка 5 • 10 12 Н. Такая сила в пересчёте на единицу площади и с учетом всех миозиновых мостиков, приходящихся на бицепс человека, даёт напряжение, рав-

Механизм скольжения - продольного перемещения микрофилментов относительно центральной миозиновой нити

Рис. 5.11. Механизм скольжения - продольного перемещения микрофилментов относительно центральной миозиновой нити: а - положение головок миозина при низкой концентрации Са2+ в миоплазме, б - положение головок миозина (сгибание в шарнирном соединении головок с двунитчатым стеблем миозиновой молекулы) при повышении содержания Са2+ в миоплазме. Стрелками указано направление перемещения актиновых нитей

ное 2 • 105 Па, что близко совпадает с фактическим значением напряжения этой мышцы (1,8 • 105 Па).

Однократное прикрепление миозиновой головки к актиновому филаменту укорачивает саркомер на 1% его первоначальной длины и развивает силу в 3-5 пиконьютонов с КПД примерно 20%. При многократном актин-миозиновом взаимодействии, что и происходит в естественном мышечном сокращении, каждый саркомер укорачивается пропорционально укорочению всей мышцы. Сокращение мышцы не приводит к изменению собственной длины ни толстых, ни тонких нитей. Сохраняя свои размеры и характер упаковки образующих их субъединиц, они скользят друг относительно друга. Теория скользящих нитей (рис. 5.12), сформулированная в 1954 г. А. Хаксли и Г. Хаксли, подтверждена многими экспериментами. Иногда её формулируют как теорию лазания или теорию гребков, но принципиально существо современных представлений о механизме мышечного сокращения не изменилось за истекшие полвека: максимальная сила сокращения мышцы пропорциональна степени взаимного перекрытия толстых и тонких нитей. При уменьшении длины саркоме- ра укорачивается только /-диск, тогда как ,4-диск не изменяет своих размеров.

Для максимального сокращения саркомера миозиновые мостики должны совершить примерно 50 гребков. Дискретность процесса скольжения обеспечивает дозирование степени сокращения. Оно определяется количеством одновременно замкнутых поперечных мостиков,тогда как его скорость зависит от частоты их замыкания (от числа замыкаемых мостиков в единицу времени). Скорость укорочения миоцитов скелетных мышц составляет 10-20 мкм • с_|, а кардиомиоцитов - на порядок меньше.

Как уже говорилось, саркомер может быть растянут до 3,6- 3,8 мкм. Тогда мышечное волокно не развивает никакого напряжения. Обычно при естественном расслаблении мышцы длина саркомера составляет около 2,5 мкм. Мышца развивает максимальную силу, когда саркомер укорачивается до 2,0-2,2 мкм. Однако его длина может уменьшаться и до 1,5-1,6 мкм. В таком случае напряжение мышцы ослабевает, поскольку концы миозиновых филаментов упираются в Z-зону (актин-дисминовую сеть), что приводит к нарушению правильной ориентации миозиновых мостиков относительно актиновых филаментов и ослаблению тянущего усилия.

Перемещение актиновых нитей относительно окружённой ими миозиновой нити

Рис. 5.12. Перемещение актиновых нитей относительно окружённой ими миозиновой нити: а - расслабление; б - сокращение

Только при наличии в миоплазме (подле миофибрилл) Са2+ и АТФ осуществляется правильная двигательная активность мышц, в которой чередуются процессы замыкания и размыкания миозино- вых мостиков на актиновых нитях. Если в миоплазме недостаток АТФ, то развивается окоченение мышц. Примером служит трупное окоченение, которое при наступлении смерти приходит на смену первоначальному расслаблению мускулов, когда в них исчезает АТФ, поскольку он обеспечивает размыкание замкнутых поперечных мостиков.

Источником энергии, необходимой для мышечной деятельности, служат реакции окисления субстратов клеточного дыхания, в ходе которых образуются макроэрги (АТФ). Для мышечного сокращения необходим гидролиз АТФ. КПД сократительной деятельности мышц примерно 20%. Таким образом, в работающей мышце пятая часть химической энергии преобразуется в механическую, а 80% выделяется в виде тепла. Энергетические процессы в мышцах неодинаковы при одномоментном (кратковременном) усилии и при длительной работе. Кратковременное мышечное сокращение происходит за счёт запасов АТФ в волокне, тогда как продолжительная мышечная деятельность требует пополнения АТФ при помощи интенсификации окислительного фосфорилирования в процессе совершения этой работы. Субстраты клеточного дыхания и кислород поступают в мышечное волокно из крови. Поэтому при тренировке выносливости (способности совершать длительную работу) необходимо развивать прежде всего хорошее кровоснабжение мышц. При тренировке силы (способности совершать значительную работу за короткое время, т.е. работать с высокой мощностью) требуется увеличение числа миозиновых мостиков, которые могут синхронно включаться в сократительный акт.Это качество, необходимое, например, штангистам, достигается главным образом путем значительного утолщения мышечных волокон за счёт увеличения количества актиновых и миозиновых протофибрилл в волокне. Сами миоциты дифференцированы и не способны к делению. При нагрузке развивается их гипертрофия, а не гиперплазия.

Как следует из сказанного, для обеспечения молекулярного механизма взаимодействия актиновых и миозиновых нитей необходимы как макроэрги, так и ионы кальция. Именно Са2+ является важнейшим компонентом электромеханического сопряжения (рис. 5.13).

Миофибриллы начинают сокращаться, когда вокруг них в цитозоле концентрация свободных ионов кальция станет равна (0,4— 1,5) • 10 6 моль. Максимальное сокращение мышечного волокна происходит при её повышении до 5 • 10 6 моль. Между тем, в покое концентрация Са2+ в цитозоле мышечного волокна не превышает 10-7 моль. Для возникновения сокращения скелетной мышцы ионы кальция должны поступить к миофибриллам из саркоплазматической сети (СПС). Так называют систему пузырьков и цистерн, отделённых мембранами от остальной саркоплазмы. СПС занимает примерно 10% объёма мышечного волокна, а суммарная площадь её мембран в миоците приблизительно в 100 раз больше поверхности сарколеммы. СПС служит кальциевым депо в мышечном волокне - содержание в ней ионов кальция достигает 10-2 моль. Следовательно, на мембране СПС поддерживается колоссальный градиент Са2+, но в покое она совершенно непроницаема для этого иона.

СПС расположена поблизости от миофибрилл, причём в электромеханическом сопряжении важнейшую роль играют её цистерны, примыкающие к диску Z (рис. 5.13, а, б). Здесь же находятся впячи- вания сарколеммы внутрь волокна, имеющие форму трубочек диаметром около 50 нм. Они образуются за счёт того, что сарколемма во многих местах «ныряет» вглубь и заканчивается в саркоплазме слепыми концами наподобие пальцев вывернутой перчатки. Такой мешочек (трубочка) идёт поперек волокна, достигая в длину более 10 мкм. В мышечном волокне диаметром 80 мкм, имеющем форму цилиндра, мембраны этих трубочек образуют поверхность, суммарная площадь которой в 2,5 раза превосходит поверхность плазмолем- мы миоцита. В зоне Z-диска каждая трубочка вместе с двумя соседними цистернами СПС образует так называемую Т-систему. Они окружают каждую миофибриллу. Г-система с миофибриллой служат основным звеном в электромеханичеком сопряжении.

Сигналом к сокращению скелетной мышцы являются нервные импульсы, поступающие из спинного или головного мозга к концевой моторной пластинке (нервно-мышечному синапсу). Далее следует синаптическая передача с участием ацетилхолина и холинорецепторов. Потенциалы действия, образовавшиеся на внесинаптических участках сарколеммы под действием потенциала концевой пластинки,распространяются бездекрементно по всей плазматической мембране мышечного волокна, проникая и в Г-систему (по мембране трубочки). С трубочки деполяризация распространяется на мембрану СПС и открывает в ней потенциалзависимые кальциевые каналы. Через открывшиеся каналы Са2+ пассивно (в сторону более низкого электрохимического потенциала) устремляется из цистерн СПС в саркоплазму и достигает миофибрилл. Около них создаётся достаточная для замыкания миозиновых мостиков концентрация ионов кальция.

Выход кальция из СПС прекращается сразу вслед за реполяри- зациией сарколеммы, но миофибриллы пребывают в сокращённом состоянии до тех пор, пока содержание кальция подле них не снизится до 10 7 моль. Для этого Са2+ должен возвратиться в СПС, но такой транспорт приходится осуществлять вопреки действию огромного концентрационного градиента. Следовательно, расслабление миофибрилл в миоците скелетных мышц после их сокращения невозможно без участия системы активного транспорта - кальциевой помпы. Её работа - неотъемлемый элемент сократительного процесса в мышце. Из мембраны СПС выделена Са-активируемая АТФаза, которая служит основным компонентом кальциевого насоса. Таким образом, электромеханическое сопряжение включает цепь последовательно идущих процессов: распространение ПД по сарколемме —» деполяризация мембран трубочек Г-системы —» открытие кальциевых каналов в мембране СПС —» выход Са2+ из цистерн СПС в цитозоль мышечного волокна —» замыкание миозиновых мостиков. Расслабление мышцы связано с реполяризацией сарколеммы и последующей активизацией работы кальциевого насоса, локализованного в мембране СПС.

Последовательность электрических, осмотических и механических процессов в миоците скелетных мышц представлена на рис. 5.14. После синаптической передачи возбуждения с нервного волокна на миоцит в его субсинаптической мембране возникает потенциал концевой пластинки (ПКП), который инициирует генерацию потенциала действия (ПД) на сарколемме. Его амплитуда достигает 120-130 мВ,

Фрагменты структуры миоцита (А, Б) и схема электромеханического сопряжения (В)

Рис. 5.13. Фрагменты структуры миоцита (А, Б) и схема электромеханического сопряжения (В): а - состояние покоя;

б - момент сокращения мышцы; в -расслабление мышцы. Обозначения: Т - Т-трубочка; СПС - цистерна сакроплазматической сети; стрелки - пассивный транспорт Са2+ по каналам; стрелки с кружком - активный транспорт кальциевой помпой;

А - анизотропные диски; I - изотропные диски;

СЛ - сарколемма; Z - Z-диск; числами обозначены концентрации ионов кальция (моль)

а продолжительность в каждой точке сарколеммы составляет около 3 мс, но он не стоит на месте, а распространяется по сарколемме, включая и мембрану Г-трубочек, со скоростью 3-5 м • с Примерно через 20 мс после образования ПД происходит максимальный выход Са2+ из цистерн СПС, и благодаря скольжению миозиновых филамен- тов по актиновым начинается сокращение миоцита, достигающее максимума примерно через 35 мс после возникновения ПД. При одиночном сокращении время укорочения мышечного волокна занимает от 15 до 50 мс, а затем миоцит расслабляется.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >