МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ

Теорию мышечного сокращения разрабатывали в основном на примере поперечнополосатого мускульного волокна, которое показывает очень строгую внутреннюю организацию. Сократительной единицей здесь является саркомер. Он представляет собой трехмерную решетку, составленную толстыми миозиновыми и тонкими актиновыми филаментами, тянущимися параллельно друг другу. Переднюю и заднюю стенки саркомера образуют Z-диски, на которых крепятся актиновые филаменты соседних саркомеров.

Сократительный процесс уже давно связывали с актином и миозином - основными белками мышц. Первоначально полагали, что укорачиваются сами миофиламенты, позднее выяснилось, что они при работе мышцы своей длины не меняют. Возникшая в середине прошлого века модель скользящих нитей постулировала, что сокращение есть результат взаимодействия актиновых и миозиновых филаментов. Моторами, превращающими химическую энергию в механическую, были признаны головки миозиновых молекул. Эти головки в виде поперечных мостиков протягиваются к актиновым филаментам и периодически присоединяются и отсоединяются от них в ходе сокращения. Присоединившись, поперечные мостики поворачиваются и тянут актиновые нити к середине саркомера. За нитями следуют Z-диски, саркомер укорачивается. Работа поперечных мостиков осуществляется за счет конформационных изменений миозиновых головок, связанных с фосфорилированием АДФ и дефосфорилированием АТФ (Rayment et al., 1993а,б).

Модель скользящих нитей, которую будем называть также моделью поперечных мостиков или моделью молекулярных моторов, быстро заняла доминирующее положение в представлениях о мышечном сокращении. “In 1972 the field of actomyosin interactions was summarized in a conference at Cold Spring Harbor... After this meeting many participants thought that the problem of muscle contraction was solved “in principle.”” (Cooke, 2004, p. 643). Однако окончательное решение так и не пришло, сетования на несовершенство знаний о природе мышечного сокращения не прерываются: “Over a century has passed since Ktihne first extracted the proteins actin and myosin from muscle..., yet the molecular origin of the force produced between these two components remains one of the outstanding puzzles in biology”. (Block, 1996, p. 151); “And perhaps it is only when molecular and integrative perspectives are taken together that we can suddenly appreciate just how far we are from understanding the contractile event.” (Gunst, Fredberg, 2003, p. 415); “...although there is a general consensus that tension generation is produced by a swing of the lever arm in myosin heads attached to actin, many uncertainties remain.” (Offer, 2006, p. 205). Особенно любопытны высказывания основателей теории скользящих нитей, оценивших ее состояние по прошествии полувека. В словах Н. Е. Huxley (2004, р. 1413) преобладает оптимизм: “...I really do believe that, altogether, there is now incontrovertible evidence for the correctness of the tilting lever-arm model, although of course many important details still remain to be worked out.” A. F. Huxley (2000, p. 1194) делает акцент на трудностях теории: “The preceding paragraph mentions three recent observations that have not yet been incorporated into current theory, but there are many other unanswered questions that have been with us for many years.” И добавляет: “Apart from these recognized uncertainties, there is always the possibility that something totally unexpected [курсив мой - ВБ] will turn up, as hap pened with the disproof of the lactic acid theory and the discovery of sliding filaments.”

Надо признать, что современные дискуссии по поводу сокращения поперечнополосатых мышц касаются прежде всего способа работы миозиновых моторов, основ теории они не захватывают (см., например, Harrington, 1979; Banos et al., 1996; Houdusse, Sweeney, 2001; Tesi et al., 2002; Masuda, 2003; Lampinen, Noponen, 2005). В том, что именно миозиновые головки совершают механические действия, большинство авторов не сомневаются. Возражения встречаются редко, одно из них таково. Важным обоснованием теории поперечных мостиков выступили прямые наблюдения, показавшие, что эти мостики могут находиться под разным углом к актиновым филаментам. Однако Martin-Fernandez et al. (1994) обнаружили, что поперечные мостики не всегда меняют свою ориентацию при сокращении мышц. Они предположили, что “...in isometric contractions the change in axial orientation is not the cause of active tension production, but rather the result of it.”, и допустили возможность появления “an alternative hypothesis for contraction” (p. 319).

В применении к гладким мышцам модель скользящих нитей встречает гораздо больше преград. Структурно гладкие мускульные клетки сходны с поперечнополосатыми волокнами лишь тем, что содержат много актиновых и миозиновых филаментов, и лежат эти филаменты параллельно длинной оси клеток. Однако правильной организации они не показывают (Tyreman, Molloy, 2003), “...the sarco-meric structure akin to that in striated muscle, which allows the sliding of contractile filaments to be translated into cell shortening has yet to be elucidated.” (Herrera et al., 2005, p. 2381). Скольжения филаментов относительно друг друга в гладких мускульных клетках не наблюдали. Не наблюдали и закономерного продольного смещения так называемых плотных тел - предполагаемых аналогов Z-дисков саркомеров. Относительную протяженность миозиновых и актиновых филаментов, характер их размещения, способ работы поперечных мостиков оценивают по-разному (см. Kargacin et al., 1989; Small et al., 1990; Xu et al., 1996; Herrera et al., 2005). В целом, обсуждая организацию сократительного аппарата гладких мышц, признают, что “The intracellular organization of contractile filaments... is still poorly understood.” (Kuo, Seow, 2004, p. 1503). Добавлю еще, что в отличие от миофиламентов поперечнополосатых мышц актиновые (Gunst, Fredberg, 2003), а, возможно, и миозиновые (Seow et al., 2000) филаменты гладких мышц нестабильны - они частично деполимеризуются во время релаксации клетки и полимеризуются (восстанавливаются) при ее активации.

Среди структурных и функциональных различий гладких и поперечнополосатых мышц некоторые привлекают особое внимание. Гладкая мускульная клетка содержит относительно намного меньше миозина и, соответственно, миозиновых головок, чем поперечнополосатое волокно; разница может быть пятикратная (Иванов, 1950; Murphy et al., 1974; Dillon, Murphy, 1982; Warshaw et al., 1987). Несмотря на это гладкая мышца порой развивает, на единицу сечения, такую же или даже большую силу, чем поперечнополосатая (Murphy et al., 1974; Dillon, Murphy, 1982). Некоторые наблюдения in vitro показали, что миозиновая головка гладкой мышцы работает гораздо эффективнее, чем миозиновая головка скелетной мышцы (VanBuren et al., 1994). Чаще феномен объясняют тем, что поперечные мостики гладких мышечных клеток дольше сохраняют рабочую связь с актиновыми филаментами (Siegman et al., 1980; Dillon, Murphy, 1982; Murphy, 1994; Guilford et al., 1997; Butler et al., 2001).

Еще одно различие гладких и поперечнополосатых мышц касается их способности к укорочению. Поперечнополосатые мышцы позвоночных животных в норме укорачиваются на 25-60 процентов, поперечнополосатые мышцы насекомых - значительно меньше (Edwards et al., 1956). Гладкие мускульные клетки позвоночных укорачиваются в четыре (вычислено мною по: Fay, Delise, 1973, Fig. 1) и даже в пять (Draeger et al., 1990) раз. Структурная основа способности к такому масштабному укорочению мало понятна (Xu et al., 1996). Эту особенность гладких мышечных клеток объясняют тем, что их актиновые нити по длине значительно превосходят актиновые нити саркомеров (Small et al., 1990). Другую причину видят в том, что актиновые филаменты гладкой мышцы скользят с каждой стороны миозиновых нитей только в одном направлении; они не наталкиваются на встречные нити (как это может происходить в саркомере) и не тормозят движение (Xu et al., 1996).

Самым удивительным свойством гладких мышц является то, что они тратят на свою работу очень мало энергии. При тоническом напряжении гладкой мышцы расход химической энергии оказывается в десятки и даже сотни (300-400) раз меньшим, чем при тетаническом сокращении скелетной мышцы той же силы; величина энергопотребления не коррелирует прямо с силой тонуса, а напряженная мышца практически не утомляется (Иванов, 1950; Gliick, Paul, 1977; Siegman et al., 1980; Somlyo, Somlyo, 1994). Внутренний сфинктер ануса человека, например, почти все время находится в состоянии максимального сокращения, расслабляясь только на время прохождения каловых масс.

После всего сказанного мнение, что “Smooth muscle exhibits biophysical characteristics and physiological behaviors that are not readily explained by present paradigms of cytoskeletal and cross-bridge mechanics.” (Gunst, Fredberg, 2003, p. 413), кажется слишком мягким. Мало того, в работе как гладких, так и поперечнополосатых мышц есть особенность, которая все мышцы ставит в конфронтацию с теорией поперечных мостиков.

Если силу мышцы создают молекулярные моторы, то величина силы должна быть прямо пропорциональна числу этих моторов, а значит - размерам мышцы, ее толщине и длине. В действительности величина силы с длиной мышцы не связана, т.е. от числа молекулярных моторов не зависит. Величина силы коррелирует лишь с толщиной мышцы. Говоря точнее, она прямо пропорциональна площади физиологического сечения мышцы, проходящего перпендикулярно длинной оси мускульных волокон или гладких мускульных клеток. Силу мышц рассчитывают как раз на единицу площади такого сечения, например, кг-сила/см2. Эти факты не просто вступают в противоречие с теорией молекулярных моторов, но по существу отвергают ее, т.е. отвергают всю современную теорию мышечного сокращения. В то же время они указывают новый путь к решению проблемы. “Biological forces from muscle are proportional to the cross-section of the muscle, and scale as [s2]. Pneumatic and hydraulic forces are caused by pressures (P) and also scale as [s2]” (Trimmer, 1989, p. 274). Как видим, этот путь ведет в зону действия гидростатических сил. Ряд особенностей в поведении гладких мускульных клеток показывают, что они в своей работе вполне могли бы использовать гидростатический механизм.

Сокращаясь изотонически в условиях эксперимента, гладкие мышечные клетки уменьшают свой объем (примерно на 20% в опытах Fay, Delise, 1973). Понятно, что это может происходить только за счет потери воды. Kargacin, Fay (1987) думали, что вода вытесняется механически при сокращении клетки. Скептическое отношение к идее механического вытеснения уже было проявлено выше при обсуждении разных впячиваний. В случае с гладкими мышечными клетками есть возможность протестировать гипотезу данными следующего эксперимента. При изометрическом (не меняющем длину) сокращении гладких мускульных клеток происходило уменьшение их поперечного сечения (Gillis et al., 1988), а, значит, объема и водного содержания. Сокращение актомиозинового комплекса не могло быть этому причиной, так как миофиламенты гладких мускульных клеток тянутся вдоль их длинной оси, а не поперек, и авторы это специально подтвердили. Остается принять, что по крайней мере в этом случае клетки уменьшали объем за счет активного выведения воды осмотическим путем. На то, что гладкие мускульные клетки действительно могут активно выводить воду и даже опускать внутреннее давление ниже внешнего, косвенно указывает их способность производить многочисленные пузыревидные впячива-ния, называемые surface vesicles (Devine et al., 1972) или caveolae (Bond et al., 1984).

Расслабляясь после сокращения, гладкие мышечные клетки возвращают прежнюю длину и объем (Fay, Delise, 1973; Ives et al., 1978). Одно из объяснений этого феномена состоит в том, что при сокращении клетки какие-то структуры внутри нее сжимаются, а когда активное сократительное действие прекращается, накопленные силы раздвигают концы клетки (Warshaw et al., 1987); как устроена такая “пружина”, авторы не сказали. Теоретически можно говорить о расталкивании концов клетки актиновыми волокнами. Такое объяснение приводят в отношении немышечных клеток (см. выше), но в данном случае оно представляется еще менее вероятным хотя бы потому, что актиновые волокна как раз при релаксации распадаются (см. Gunst, Fredberg, 2003). Главное же заключается в том, что клетки, расслабляясь и удлиняясь, восстанавливают объем, а это может происходить только за счет возвращения воды, покинувшей их при сокращении. Kargacin, Fay (1987) решили, что увеличение гладкой мускульной клетки при релаксации происходит за счет осмотического поглощения воды, и это объяснение кажется единственно возможным.

Итак, практически не вызывает сомнений, что гладкие мускульные клетки активно выводят и вводят воду, уменьшают или увеличивают этим объем цитоплазмы и внутреннее давление и, по крайней мере частично, используют эти процессы для укорочения

(сокращения) или удлинения своего тела. По существу гладкие мускульные клетки совершают действия, которые в применении к немышечным клеткам получили названия “регуляторное уменьшение объёма ” (RVD) и “регуляторное увеличение объёма” (RVI). Как и другие клетки, мускульные клетки пульсируют, только эта пульсация оказывается намного масштабнее, и здесь ее фазы мы именуем сокращением и расслаблением.

Принятие гидростатического механизма сокращения гладких мышечных клеток легко объясняет перечисленные выше особенности их работы, прежде всего - малую энергоемкость сократительного процесса и неутомляемость мышц. При сокращении клетка тратит энергию лишь на выведение воды (создание осмотического градиента), а механическую работу выполняет давление внешней среды. Потеряв часть воды и сократившись, мускульная клетка переходит в новое состояние, в котором ее поддерживает все то же внешнее давление. Сокращенное состояние принципиально ничем не отличается от расслабленного, и энергии для его сохранения требуется ничуть не больше. Некоторым подобием сократившейся гладкой мускульной клетки могут служить знаменитые магдебург-ские полушария, поддерживаемые в сомкнутом состоянии атмосферным давлением.

Если гладкие мускульные клетки уменьшают длину путем удаления воды, их способность сильно укорачиваться тоже не вызывает удивления. Удивление вызывает другой факт. Сокращаясь изотонически, клетки не только укорачиваются, но и утолщаются в своей средней (по длине) части; удлиняясь при релаксации, они опять утончаются (Fay, Delise, 1973; Fisher, Bagby, 1977; Warshaw et al., 1987; Kargacin et al., 1989). Полостное тело не может уменьшать внутреннее давление и одновременно увеличивать свои линейные размеры; точно так же размеры не могут уменьшаться при увеличении давления. Мы уже встречались с такой проблемой при обсуждении разных процессов у немышечных клеток и тогда делали допущение, что изменение внутреннего давления (объема внутренней массы) является волнообразным процессом, где фазы уменьшения и увеличения периодически сменяют друг друга. Теперь это решение перенесем на гладкие мускульные клетки. Можно предположить, что при сокращении (укорочении) их объем уменьшается не все время; периодически он увеличивается, и в эти моменты клетка утолщается. Подобным образом увеличение объема клетки, происходящее при ее расслаблении (удлинении), временами сменяется его уменьшением, и тогда клетка утончается (и производит попутно эндоцитозные пузырьки - см. выше). Ритмичность сокращения действительно обнаружена у разных гладких мышц как in vivo, так и in vitro (Kasai et al., 1994; Haddock, Hill, 2005). Были отмечены, также, небольшие колебания напряженности клеток, которые накладывались на общее тоническое сокращение (Bond et al., 1984).

В гладких мускульных клетках обнаружен еще один волнообразный процесс, а именно колебания концентрации внутриклеточного кальция. Са2+ то выбрасывается из полостей саркоплазматического ретикулума, то возвращается назад; часть ионов входит также снаружи (Hamada et al., 1997; Savineau, Marthan, 2000; Pabelick et al., 2001; Bergner, Sanderson, 2002; Koenigsberger et al., 2004; Jude et al., 2008). Полагают, что сократительный ритм мышечных клеток зависит от колебаний концентрации Са2+ (Haddock, Hill, 2005). Такие же колебания обнаружены и в немышечных клетках (Meldolesi, 1998), о пульсации которых мы говорили не раз. Ионы кальция, как и моновалентные ионы, принимают участие в перемещении воды через клеточную мембрану. Если водное содержимое гладких мускульных клеток действительно колеблется при их укорочении или удлинении, эти изменения могут быть тесно связаны с колебаниями тонуса клеток и концентрации Са2+. В ходе поляризованного роста стеночных клеток темп этого роста и концентрация Са2+ в апикальной зоне меняются как раз в унисон (Harold, 2002). А мы помним, что одной из причин ростовых колебаний пыльцевых трубок и гифов называют периодическое изменение тургорного давления.

Характеризуя работу гладких мускульных клеток, обычно говорят об их укорочении. Mullins, Guntherroth (1965, р. 594) предположили, что “Cell expansion rather than shortening is seen as the prime mover of muscle contraction.” Авторы продемонстрировали это на примере длинного баллона, согнутого в петлю; петля имитировала стенку трубчатого органа, например кровеносного сосуда. При наполнении его водой, баллон утолщался, и при этом происходило уменьшение просвета петли (“сосуда”). Гладкие мускульные клетки, как мы видели, при сокращении не только укорачиваются, но и утолщаются, и оба изменения могут быть важны для выполнения их механических функций.

Весьма существенно, что гидростатическая модель работы гладкой мускульной клетки может опереться на примеры хорошо известных моторов, в частности на пример промышленных двигателей. Именно за счет разницы внутреннего (в закрытой камере) и наружного давлений совершается рабочий ход поршня в паровой машине и двигателе внутреннего сгорания. Среди индустриальных моторов особенно примечательны первые в истории паровые машины, созданные в конце 17-го - начале 18-го веков. Они работали не просто по принципу разницы давлений, но именно так, как это предусматривает новая гипотеза работы гладких мускульных клеток. Поршень этих машин совершал рабочий ход под действием наружного (атмосферного) давления, когда после конденсации пара при его охлаждении в цилиндре создавалось разреженное пространство. Эти двигатели так и называют - атмосферными паровыми машинами.

Особенно важно, что гидростатический механизм используют и живые машины, а именно растительные клетки, приводящие в движение части целого организма. В эволюции растений “... все в большей степени развивается способность к обратимым движениям на основе изменяющегося тургорного давления [курсив мой - ВБ]. Такой механизм возник при формировании устьиц уже у первых высших наземных растений. Затем медленные тургорные движения (на-стии) начинают использоваться для движения листьев, закрывания и открывания цветков. Наконец, появляются быстрые обратимые тургорные движения - сейсмонастии.” (Полевой, Саламатова, 1985, с. 191). Примером развитого двигательного аппарата растений может служить система специализированных образований - подушечек, -обеспечивающая ритмичное складывание и расправление сложных листьев бобовых. Подушечки расположены в сочленениях между стеблем и черешком, между черешком и пластинкой листа и между листочками. Они содержат моторные клетки, которые, меняя свое тургорное давление (объем), вызывают движение всего листа или листочков. Быстрые тургорные движения (сейсмонастии), как и мышечные сокращения, запускаются потенциалом действия (Полевой, Саламатова, 1985). При описании двигательных растительных клеток даже используют специальные термины, принятые для обозначения мышц, - “сгибатели” и “разгибатели”. Если бы не убеждение в том, что растительная и животная клетка в механическом плане разделены пропастью”, исследователи мышечного сокращения могли бы давно обратить внимание на сокращения растительных клеток.

Разница давлений определяет движение масс и во многих других процессах, как природных, так и созданных человеком. Высокое давление выбрасывает снаряды из стволов орудий, лаву вулканов, воду и пар гейзеров; разница давлений создает подъемную силу летящего самолета или плывущей акулы; ветры и морские течения в большой степени рождаются разницей давления в соседних частях воздушного или водного океанов. Можно констатировать, что, наряду с тяготением, именно разница давлений является важнейшим первичным фактором, вызывающим прямолинейные перемещения масс в неорганической природе и в индустриальных моторах, работающих на химическом топливе. В эту схему легко укладываются все рассмотренные выше преобразования живых полостных тел, к ним можно присоединить и сокращение гладких мускульных клеток.

Поперечнополосатые мышцы сходны с гладкими в том, что величина развиваемой ими силы прямо пропорциональна их поперечному (физиологическому) сечению. Естественно ожидать, что способ выработки силы тоже одинаков. Между тем, по строению сократительных единиц мышцы существенно различаются. Гладкая мускульная клетка является замкнутым полостным телом, саркомер же представляет собой открытую трехмерную решетку. Условием действия гидростатического механизма является наличие разницы давлений между полостью живого тела и окружающей средой. Может ли давление внутри открытого саркомера отличаться от давления в окружающей его саркоплазме? В принципе да, разница давлений в открытых средах вполне обычна, например, между соседними участками атмосферы. Специфика замкнутых живых полостных тел состоит не в том, что их внутреннее давление может отличаться от наружного, а в том, что они эту разницу активно создают и поддерживают. Клетки, в том числе и мускульные, делают это, перемещая воду через полупроницаемую мембрану по осмотическому градиенту. При сокращении мышечной клетки вода из нее уходит. Из саркомеров в норме она тоже уходит (Carlsen et al., 1961), и, можно думать, тем же путем.

В эксперименте обмен водой между саркомерами и окружающей их средой наблюдали не раз. Частично или полностью демем-бранизированное (вскрытое) мышечное волокно, помещенное в релаксационный раствор сразу после разрушения сарколеммы, набирало воду и набухало (Matsubara, Elliott, 1972; Gordon et al., 1973). При этом происходило увеличение расстояния между миофиламентами, саркомеры утолщались (Godt, Maughan, 1977; Goldman, Simmons, 1986). После перевода волокон в гипертонический раствор они сжимались и принимали прежний вид. Осмотический градиент периодически возникает и при сокращении природных волокон. Как и в гладких мышцах, процесс их сокращения и расслабления коррелирует с колебаниями концентрации саркоплазматического Са2+. Когда кальций выходит из цистерн саркоплазматического ретикулума в цитоплазму, омывающую миофибриллы, он увеличивает ее тоничность. Это создает осмотический градиент между миофибриллами и окружающей саркоплазмой, по которому вода могла бы покидать саркомеры. Могла бы, если бы не одно обстоятельство.

Описывая только что опыты с демембранизированными мышечными волокнами, я умолчал о том, чем определялась гипертоничность культурального раствора. А определялась она крупными молекулами (например, декстрана), не способными проходить между миофиламентами и проникать в саркомер. Но ионы кальция - это не крупные молекулы декстрана. Они могут легко диффундировать в филаментозную решетку и быстро ликвидировать осмотический градиент. Рассчитано, что концентрация ионов внутри и снаружи тонкой (диаметром 1 -3 мкм) миофибриллы уравнивается менее чем за миллисекунду (Telley, Denoth, 2007). Успеет ли вода покинуть саркомеры до того, как ионы кальция туда проникнут?

Теоретически существует способ воспрепятствовать проникновению ионов кальция в саркомеры. Такой преградой мог бы стать суммарный положительный заряд филаментозной решетки. Вообще этот заряд изменчив, его знак зависит, например, от величины pH. При pH, равном пяти, заряд нейтрален; при повышении pH он становится негативным; при его понижении - позитивным (Elliott, 1973; Godt, 1981; Naylor et al., 1985; Millman, 1998; Regini, Elliott, 2001). Возможно, что электростатические характеристики толстых и тонких нитей зависят также от наличия свободной АТФ. Во всяком случае миофиламенты мышечных волокон, помещенных в релаксационный (АТФ присутствует) и в ригорный (АТФ отсутствует) растворы, несли разные заряды (Bartels, Elliott, 1985).

В свете сказанного возможный “гидравлический” сценарий сокращения саркомера поперечнополосатого мышечного волокна мог бы выглядеть так (рис. 7). Ионы кальция выходят из саркоплазматического ретикулума в экстрафибриллярную саркоплазму и повышают ее тоничность - суммарный электрический заряд саркомера становится положительным (возможно, в результате превращений нуклеотидов) - из-за этого Са2+ не диффундирует в саркомеры, и вода выходит оттуда по осмотическому градиенту - в саркомере создается пониженное давление - наличие одноименных (положительных) электрических зарядов на миозиновых и актиновых нитях не позволяет им сближаться - Z-диски двигаются в зону пониженного давления, саркомер укорачивается.

Способностью сокращаться по “саркомерному” типу обладают, возможно, и гладкие мускульные клетки. Дело в том, что лишенные (в эксперименте) мембраны они в присутствии кальция и АТФ сохраняют сократительную функцию (Small, 1974; Saida, Nonomura, 1978; Kargacin, Fay, 1987; Bialojan et al., 1988; Kargacin et al., 1989; Butler et al., 2001; Niiro, Ikebe, 2001; Wilson et al., 2002), хотя и создают силу меньшую, чем интактные клетки (Amer, 1983; Kossmann et al., 1987). В гладких мышечных клетках тоже есть параллельно идущие актиновые и миозиновые филаменты, которые после де-мембранизации клетки и превращения ее в открытую систему могли бы действовать подобно толстым и тонким нитям саркомеров, т.е. менять электрический заряд на филаментозной решетке.

Новые представления о сокращении поперечнополосатых мышц не противоречат базовым фактам, на которых построена теория скользящих нитей. В первую очередь это касается самого факта скольжения, давшего название модели. В традиционной схеме актиновые нити двигаются потому, что миозиновые головки тянут их; вместе с ними они тянут и Z-диски. В гидромеханической модели Z-диски толкают актиновые нити, то есть скольжение нитей оказывается не причиной укорочения саркомеров, а его следствием. Может возникнуть вопрос: почему тонкие нити не деформируются, когда Z-диски их толкают? От этого их могут спасти электростатические силы, поддерживающие расстояния между миофиламентами (см. Elliott et. al, 1970; Millman, Nickel, 1980; Irving et al., 2000). Тут вполне уместно привести образное выражение Н. Е. Huxley (1969, р. 1360), который писал, что миофиламенты скользят . .on a cushion of long-range electrostatic forces...”.

Еще один факт, занимающий важное место в современной теории мышечного сокращения, устанавливает положительную связь между степенью налегания толстых и тонких нитей друг на друга (до какого-то предела) и величиной силы, развиваемой саркомером. Причину этой связи видят в том, что от степени налегания зависит число соединяющихся с актиновыми филаментами миозиновых головок (моторов). Но значение головок не только механическое. Именно на них происходит гидролиз АТФ, а скорость гидролиза многократно увеличивается в присутствии филаментозного актина (Lymn, Taylor, 1971; Geeves, 1991). Чем больше миозиновых головок соседствует с актиновыми нитями, тем больше и тем быстрее вырабатывается энергия (меняется и поддерживается электрический заряд?). Кроме того, взаимное проникновение миофиламентов увеличивает число противостоящих одноименных зарядов, что увеличивает расталкивающие силы и препятствует поперечному сжатию (утончению) саркомеров. В свое время Elliott et. al (1970) видели основную причину сокращения мышц как раз в расталкивающем действии электрических зарядов.

Итак, сокращение саркомеров и гладких мускульных клеток есть в буквальном смысле сдавливание их наружной массой. Такое сдавливание происходит после того, как из саркомеров или клеток уходит вода и давление в них становится меньше наружного. Согласившись с тем, что причиной сокращения является уход воды из сократительных единиц, мы легче поймем еще одно различие в работе поперечнополосатых и гладких мышц, а именно тот факт, что сокращение первых происходит значительно быстрее, чем вторых. Ясно, что из открытой трехмерной решетки саркомера воде выйти гораздо легче, чем сквозь полупроницаемую мембрану целой клетки. Однако и препятствовать ее возвращению в саркомер труднее. Для этого, кроме прочего, надо все время поддерживать положительный электрический заряд филаментозной решетки. Эти энергетические затраты поперечнополосатым мышцам приходится нести как плату за скорость. Потому они и утомляются так быстро.

Кроме увеличения скорости сокращения, еще одним приобретением поперечнополосатых мышц была способность более тонко регулировать сократительный процесс, и это тоже легче объяснить на основе новой модели. В гладких мышцах обмен водой осуществляется между клеткой и окружающей ее средой (рис. 8А). Химический состав этой среды более или менее изменчив, и гладкие мышцы на эти изменения живо реагируют. В поперечнополосатых мышцах водный обмен проходит внутри закрытой полости волокна, между саркомерами и саркоплазмой (рис. 8Б), где постоянство среды поддерживается более строго. Тенденция к увеличению стабильности жизненной среды вообще характерна для эволюции животных. В качестве примеров можно привести переходы от эмбриональноличиночного развития к целиком эмбриональному или от пойкило-термии к гомотермии. Не исключено даже, что в случае с мышцами именно переход сократительного аппарата к работе в мало изменчивой среде (внутри волокна) помог двигательной (скелетной) мускулатуре стать произвольной.

Включение мышечного сокращения в сферу действия гидромеханической модели позволяет объяснить наличие как сходства (пропорциональность силы поперечному сечению), так и различий (энергоемкость, скорость сокращения...) в работе гладких и попе-речнополасатых мышц. Других гипотез, которые сделали бы это так полно, не видно. Вместе с тем, новая модель вызывает и новые вопросы. Если мышцу “сокращает” наружная масса, следует признать, что у наземных животных ее силу определяет, в конечном счете, атмосферное давление, а потому эта сила не должна превышать один килограмм на квадратный сантиметр сечения. Литературные источники, однако, говорят нам, что величина силы может заметно превышать эту цифру.

Измерения мышечной силы проводили на целых мышцах, мышечных клетках, мышечных волокнах и миофибриллах. Силу исчисляли в разных единицах (ньютонах, динах...), за единицу площади сечения брали квадратные микроны, миллиметры и т.д. В приводимом ниже списке все результаты переведены в одну систему - килограмм-сила на квадратный сантиметр (кг-сила/см2). Данные изложены раздельно для разных объектов, в каждой группе - в порядке возрастания цифровых значений. Миофибрилла скелетной мышцы. 1,59 (Friedman, Goldman, 1996); 2,61 (Yuri et al, 1998); 3,7 (Colomo et. al, 1997); 3,43 - 9,58 (Bartoo et. al, 1993). Миофибрилла сердечной мышцы'. 3,5 (Colomo et. al, 1997). Гладкая мышца'. 0,13 -

2.2 (обзоры Herlihy, Murphy, 1973, 1974, no Murphy et. al, 1974); 0,34 (Amer, 1983); 0.51 (Warshaw et. al, 1986); 6.83 (Dillon, Murphy, 1982). Сердечная мышца'. 1 (Brutsaert, Housmans, 1977, no Colomo et. al, 1997). Скелетная мышца'. 1.47-2.94 (Close, 1972, no Murphy et. al, 1974); 2-3 (Bagshaw, 1993, no Colomo et. al, 1997); 3.57 (Close, 1972, no Dillon, Murphy, 1982).

Как видим, количественные данные сильно разнятся. Крайние позиции, возможно, надо откинуть, но даже величины в 2-3 кг на см2 (из сводки Bagshaw) намного превосходят величину атмосферного давления. Все-таки некоторый выход из этой критической ситуации есть.

Гладкие мускульные клетки при сокращении утолщаются в своей средней части (и тогда, кстати, становятся похожими на сомкнутые магдебургские полушария - Fay, Delise,1973, Fig. 1). Мои промеры изображенных на фотографиях клеток показали увеличение их радиуса примерно в 1,3 раза (Kargacin, Fay, 1987, Fig. 8), в 1,5 (Fay, Delise,1973, Fig. 2) и в 1,7 (Fay, Delise,1973, Fig. 1). Отдельно испытуемые миофибриллы поперечнополосатых мышц тоже утолщаются при сокращении, по всей своей длине. Мои промеры дали следующие результаты: увеличение радиуса в

1.3 раза (Hanson J. 1952, Fig. 1) и в 1,7 (Lionne et al., 2003, Fig. 1). В этих случаях как гладкие мускульные клетки, так и миофибриллы максимально увеличивали свое поперечное сечение почти в три раза. Поскольку величина силы, как мы знаем, прямо пропорциональна сечению мускульной клетки или мускульного волокна, получается, что в процессе сокращения сила тоже должна была возрастать в три раза.

Если при расчетах величины мышечной силы исходить из первоначального сечения сокращающихся тел и не учитывать его роста в ходе сокращения, то получаемые цифры могут быть сильно завышены. Мы, скажем, фиксируем площадь сечения расслабленной мышцы в 1 см2, наблюдаем как она, сокращаясь, развивает силу в два килограмма и выводим отношение 2 кг/см2. На самом деле силу в два килограмма может показывать уже “не та” мышца, а мышца, двукратно увеличившая площадь своего сечения. Многие наверняка видели, как буквально вздуваются мышцы атлетов при напряженной работе. Известно, также, что максимальную силу мышцы развивают не сразу, а постепенно. Таким образом, мышца с начальным сечением в 1 см2, может развивать силу более килограмма, когда ее “сокращает” атмосферное давление.

Итак, работа мышц подобна работе атмосферных паровых машин. Звучит, говоря словами A. F. Huxley (2000) из приведенной выше цитаты, totally unexpected, но эта гипотеза пока единственная, которая объясняет тот факт, что величина силы, развиваемой мышцами, пропорциональна только площади их поперечного (физиологического) сечения.

По современным представлениям способностью сокращаться обладают актомиозиновые комплексы не только мышечных, но и немышечных клеток. В отношении мышц это мнение опирается на целую систему наблюдений и соображений, сложенных в теорию скользящих филаментов. Представление о сокращении актомиозина немышечных клеток подобной доказательной базы не имеет, во многом его поддерживает пример мышечного сокращения. Отказ от модели молекулярных моторов ставит под сомнение идею актомизинового сокращения во всех ее вариантах. Ее последней опорой кажутся экспериментальные данные, показавшие, что миозин и актин могут двигаться относительно друг друга и развивать при этом силу (Toyoshima et al., 1987; Umemoto, Sellers, 1990; VanBuren et al., 1994; Guilford et al., 1997). К сожалению, трудно сказать, насколько такое взаимодействие миозина и актина in vitro соответствует их взаимодействию in vivo. В интактных мышцах миозиновые головки совершают (по гипотезе скользящих нитей) рабочий ход только в одном направлении, тогда как в опытах они смещаются и в обратном, демонстрируют попятные движения (Guilford et al., 1997; Yanagida et al., 2000). Отсюда допускают (Yanagida et al., 2000), что перемещение миозина in vitro есть всего лишь броуновское движение. Складывается впечатление, таким образом, что “сократительного” взаимодействия актиновых и миозиновых филаментов в природе не существует.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >