Механизмы сокращения мышечного волокна.  Механизм мышечного сокращения

Введение

Основой всех типов мышечного сокращения служит взаимодействие актина и миозина . В скелетных мышцах за сокращение отвечают миофибриллы (примерно две трети сухого веса мышц). Миофибриллы - структуры толщиной 1 - 2 мкм, состоящие из саркомеров - структур длиной около 2,5 мкм, состоящих из актиновых и миозиновых (тонких и толстых) филаментов и Z-дисков, соединённых с актиновыми филаментами. Сокращение происходит при увеличении концентрации в цитоплазме ионов Ca 2+ в результате скольжения миозиновых филаментов относительно актиновых. Источником энергии сокращения служит АТФ . КПД мышечной клетки около 50 %.

Скольжение миозина относительно актина

Головки миозина расщепляют АТФ и за счет высвобождающейся энергии меняют конформацию, скользя по актиновым филаментам. Цикл можно разделить на 4 стадии:

1. Свободная головка миозина связывается с АТФ и гидролизует его до АДФ и фосфата и остаётся связанной с ними. (Обратимый процесс - энергия, выделившаяся в результате гидролиза, запасается в изменённой конформации миозина).
2. Головки слабо связываются со следующей субъединицей актина, фосфат отделяется, и это приводит к прочному связыванию головки миозина с актиновым филаментом. Эта реакция уже необратима.
3. Головка претерпевает конформационное изменение, производящее подтягивание толстого филамента к Z-диску (или, что эквивалентно, свободных концов тонких филаментов друг к другу).
4. Отделяется АДФ, за счёт этого головка отделяется от актинового филамента. Присоединяется новая молекула АТФ.

Далее цикл повторяется до уменьшения концентрации ионов Ca 2+ или исчерпании запаса АТФ (в результате смерти клетки). Скорость скольжения миозина по актину ≈15 мкм/сек. В миозиновом филаменте много (около 500) молекул миозина и, следовательно, при сокращении цикл повторяется сотнями головок сразу, что и приводит к быстрому и сильному сокращению. Следует заметить, что миозиин ведёт себя как фермент - актин-зависимая АТФаза. Так как каждое повторение цикла связано с гидролизом АТФ, а следовательно, с положительным изменением свободной энергии , то процесс однонаправленный. Миозин движется по актину только в сторону плюс-конца.

Последовательные стадии

Источник энергии для сокращения

Для сокращения мышцы используется энергия гидролиза АТФ, но мышечная клетка имеет крайне эффективную систему регенерации запаса АТФ, так что в расслабленной и работающей мышце содержание АТФ примерно равно. Фермент фосфокреатинкиназа катализирует реакцию между АДФ и креатинфосфатом , продукты которой - АТФ и креатин . Креатинфосфат содержит больше запасённой энергии, чем АТФ. Благодаря этому механизму при вспышке активности в мышечной клетке падает содержание именно креатинфосфата, а количество универсального источника энергии - АТФ - не изменяется. Механизмы регенерации запаса АТФ могут различаться в зависимости от парциального давления кислорода в окружающих тканях (см. Анаэробные организмы).

Механизм регуляции

В основном в регуляции мышечной активности участвуют нейроны , но есть случаи, когда сокращением гладкой мускулатуры управляют и гормоны (например, адреналин и окситоцин). Сигнал о сокращении можно разделить на несколько этапов:

От клеточной мембраны до саркоплазматического ретикулума

Воздействие медиатора, выделившегося из мотонейрона , вызывает потенциал действия на клеточной мембране мышечной клетки, который передаётся далее с помощью специальных впячиваний мембраны, называемых Т-трубочками , которые отходят от мембраны внутрь клетки. От Т-трубочек сигнал передаётся саркоплазматическому ретикулуму - особому компартменту из уплощенных мембранных пузырьков (эндоплазматической сети мышечной клетки), окружающих каждую миофибриллу. Этот сигнал вызывает открытие Ca 2+ -каналов в мембране ретикулума. Обратно ионы Ca 2+ попадают в ретикулум с помощью мембранных кальциевых насосов - Ca 2+ -АТФазы .

От выделения ионов Ca 2+ до сокращения миофибрилл

Механизм сокращения мышц с учётом тропонина и тропомиозина

Для того, чтобы контролировать сокращение, к актиновому филаменту прикрепляется белок тропомиозин и комплекс из трёх белков - тропонин (субъединицы этого комплекса называются тропонинами T,I и C). Тропонин C - близкий гомолог другого белка, кальмодулина . Через каждые семь субъединиц актина расположен только один тропониновый комплекс. Связь актина с тропонином I перемещает тропомиозин в положение, мешающее связи миозина с актином. Тропонин C связывается с четырьмя ионами Ca 2+ и ослабляет действие тропонина I на актин, и тропомиозин занимает положение, не препятствующее связи актина с миозином.

Основные белки миофибрилл

Литература

• Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рефф, К. Робертс, Дж. Уотсон, Молекулярная биология клетки - В 3-х т. - Пер. с англ. - Т.2. - М.: Мир, 1994. - 540 с.
• М. Б. Беркинблит, С. М. Глаголев, В. А. Фуралев, Общая биология - В 2-х ч. - Ч.1. - М.:МИРОС, 1999. - 224 с.: ил.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Samsung SGH-Z700
• Samsung SGH-E910

Смотреть что такое "Мышечное сокращение" в других словарях:

МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ - укорочение или напряжение мышц в ответ на раздражение, вызываемое разрядом двигат. нейронов. Принята модель М. с, согласно к рой при возбуждении поверхности мембраны мышечного волокна потенциал действия распространяется сначала по системе… … Биологический энциклопедический словарь

мышечное сокращение - raumens susitraukimas statusas T sritis Kūno kultūra ir sportas apibrėžtis Raumens ilgio kitimas cheminei energijai virstant mechanine ir šilumine. Skiriamas auksotoninis, izometrinis, izotoninis, maksimalusis ir pavienis raumens… … Sporto terminų žodynas

мышечное сокращение - raumens susitraukimas statusas T sritis Kūno kultūra ir sportas apibrėžtis Raumenį sudarančių skaidulų patrumpėjimas arba įtampos kitimas atliekant judesį (veiksmą). atitikmenys: angl. muscle contraction vok. Muskelkontraktion, f rus. мышечное… … Sporto terminų žodynas

мышечное сокращение - см. Сокращение … Большой медицинский словарь

Мышечное сокращение - укорочение мышцы, в результате которого она производит механическую работу. М. с. обеспечивает способность животных и человека к произвольным движениям. Наиболее важная составная часть мышечной ткани (См. Мышечная ткань) белки (16,5… …

МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ - основная функция мышечной ткани укорочение или напряжение мышц в ответ на раздражение, вызываемое разрядом двигательных нейронов. М. с. лежит в основе всех движений человеческого тела. Различают М. с. изометрическое, когда мышца развивает усилие… … Психомоторика: cловарь-справочник

Изометрическое мышечное сокращение - сокращение мышцы, выражающееся в усилении её напряжения при неизменной длине (например, сокращение мышцы конечности, оба конца которой закреплены неподвижно). В организме к И. м. с. приближается напряжение, развиваемое мышцей при попытке… … Большая советская энциклопедия

В основе мышечного сокращения лежит перемещение нитей актина относительно нитей миозина. Нити актина двигаются, как по туннелю, между миозиновыми фибриллами, за счет образования связей с миозином. В результате этого сарко- мер укорачивается (гипотеза «скользящих нитей» А. Хаксли) (рис. 7.29). При этом длина 1-дисков уменьшается, А-диски сохраняют свой размер.

Скольжение актиновых и миозиновых нитей друг относительно друга возможно только в присутствии ионов Са 2+ и АТФ, которая образуется при расщеплении гликогена, глюкозы и жирных кислот. Мышцы характеризуются активным обменом веществ. К ним подходит большое количество кровеносных и лимфатических сосудов, а также нервов. Последние образуют с мышечными волокнами синаптические контакты.

Всю цепь событий при мышечном сокращении можно представить следующим образом: в нервно-мышечном синапсе под влиянием приходящих из ЦНС но нервному волокну импульсов выделяется медиатор ацетилхолин , деполяризующий мембрану мышечного волокна. Возникающий при этом импульс распространяется по мембране волокна и Т-трубочкам и передается на мембрану саркоплазматического ретикулума, из которого в саркоплазму выходит кальций. Ионы кальция способствуют образованию комплекса акто- миозина и расщеплению АТФ; освобождающаяся при этом энергия обеспечивает скольжение тонких актиновых нитей вдоль миозиновых.

Рис. 7.29.

Изменение взаиморасположения миофибрилл при расслаблении (б) и сокращении (в) мышечного волокна

Расслабление мышцы связано с обратным поступлением Са 2+ в саркоплазматический ретикулум, что происходит при участии активных механизмов, связанных с работой ионных насосов. Если концентрация ионов кальция в саркоплазме снижается и они перекачиваются в эндоплазматическую сеть, то сокращение мышечного волокна прекращается.

Скелетная мускулатура человека состоит из мышечных волокон нескольких типов с различными структурно-функциональными характеристиками. Выделяют четыре основных типа мышечных волокон: медленные фазические волокна окислительного типа, быстрые фазические волокна окислительного типа, быстрые фазические окислительные волокна с гликолитическим типом окисления и тонические волокна.

Медленные фазические мышечные волокна окислительного типа содержат большое количество белка миоглобина, связывающего 0 2 . Этот белок аналогичен гемоглобину эритроцитов и придает мышечным волокнам темно-красную окраску. Мышцы, состоящие преимущественно из этих волокон, участвуют в поддержании позы человека. Утомление в них развивается очень медленно, а восстанавливаются функции очень быстро.

Мышцы, состоящие преимущественно из быстрых фази- ческих волокон окислительного типа , выполняют быстрые сокрашения без заметного утомления. Это связано с наличием в волокнах большого количества митохондрий и хорошей способностью синтезировать АТФ. Основное назначение таких волокон - выполнение быстрых, энергичных движений.

Тонические волокна сокращаются и расслабляются медленно, так как активность АТФ в них низка. Такие волокна входят в состав некоторых мышц глаза.

Большинство скелетных мышц человека состоит из мышечных волокон различных типов с преобладанием одного из них в зависимости от функций, которые выполняет та или иная мышца.

Основное физиологическое свойство мышц - сократимость - проявляется в способности мышцы к укорачиванию или развитию напряжения. Различают два типа мышечных сокращений - изотонические и изометрические. При изотоническом сокращении волокна мышцы укорачиваются, но напряжение остается постоянным. При изометрическом - мышца укоротиться не может, длина мышечных волокон остается неизменной, так как оба се конца неподвижно закреплены, но напряжение по мере их сокращения возрастает.

По отношению к целому организму применяется иная классификация типов сокращения: изометрическим называют сокращение, при котором длина мышцы не меняется, концентрическим - при котором мышца укорачивается, эксцентрическим - удлиняется (например, при медленном опускании груза). Для естественных движений обычно характерны все три типа сокращения мышц.

Функциональной единицей скелетной мускулатуры считается не отдельное мышечное волокно, а нейромоторная , или двигательная единица , которая включает несколько мышечных волокон, иннервируемых мотонейроном спинного мозга (рис. 7.30, 7.31). В ответ на импульсы, приходящие от мотонейрона, сокращаются все мышечные волокна, входящие в нейромоторную единицу.

Число мышечных волокон, составляющих двигательную единицу, скорость их сокращения и устойчивость к утомлению неодинаковы. В зависимости от их свойств двигательные единицы подразделяют на быстрые (фазные) } медленные (тониРис. 7.30. Двигательные единицы

ческиё) и переходные. Двигательные единицы каждой мышцы неодинаковы. Мышцы, обеспечивающие точные и быстрые движения (например, мышцы пальцев руки), состоят в основном из нескольких сотен или тысяч быстрых двигательных единиц. В большинстве мышц смешанного типа первыми активизируются медленные двигательные единицы, развивающие

Рис. 7.31

а,6 - нервно-мышечный синапс; в - электронная сканирующая

микроскопия небольшую силу сокращения, а при увеличении возбуждения в сокращение вовлекаются мышечные волокна, развивающие большую силу. Активация быстрых нсйромогорных единиц обеспечивает точную двигательную реакцию.

В естественных условиях к мышце из ЦНС поступают не одиночные импульсы, а серии импульсов, на которые она реагирует не одиночным, а длительным (тетаническим ) сокращением. Оно обусловлено тем, что каждый следующий импульс приходит в момент, когда еще не закончилась предыдущая волна сокращения. Последняя, суммируясь с предыдущей, продлевает сокращение мышцы. Если каждая новая волна сокращения возникает в момент, когда мышца уже начала расслабляться под влиянием предшествующего раздражения, возникает зубчатый тетанус. При меньшем интервале между раздражениями, когда каждая новая волна сокращения возникает до начала мышечного расслабления, образуется сплошной, или гладкий , тетанус. Отдельные волокна мышцы при ее естественной стимуляции с нерва отвечают на каждый импульс одиночным сокращением. Слитный тетанус получается за счет суммации сокращений отдельных мышечных волокон. Обычно мышечные волокна одной мышцы сокращаются не одновременно, так как импульсы от различных мотонейронов ЦНС также приходят к ним не одновременно. Это способствует образованию и поддержанию слитного тетаничес- кого сокращения мышцы.

Сокращаясь, мышца выполняет работу. Работа мышц зависит от силы их сокращения, а сила сокращения одной и той же мышцы - от количества нейромоторных единиц, участвующих в нем. Чем их больше, тем сокращение интенсивнее. Сила сокращения также зависит от частоты раздражения. До известного предела увеличение частоты стимуляции сопровождается возрастанием силы мышечного сокращения. Это связано с тем, что с увеличением частоты раздражения в реакцию включается все большее количество мышечных волокон. Максимальное напряжение, которое может развить мышца, определяется числом образующих ее волокон: чем оно больше, тем больше сила мышц. В связи с этим перистые мышцы, состоящие из множества волокон, отличаются большей силой.

Проявление силы мышцы зависит и от особенностей ее прикрепления к костям. Мышцы с большей площадью прикрепления или опоры, имеют большие возможности для проявления силы. Важно также и место приложения силы мышц. Кости вместе с прикрепляющимися к ним мышцами являются рычагами, поэтому чем ближе к точке приложения силы тяжести или чем дальше от точки опоры рычага и ближе к точке приложения силы тяжести прикрепляется мышца, тем большую силу она может развить (рис. 7.32).

Зависимость мышечной силы от таких факторов отчетливо проявляется в деятельности мышц верхней и нижней конечностей. Верхняя конечность предназначена для выполнения разнообразных точных и быстрых движений. Функция нижних конечностей требует большой силы их мышц. Этим функциональным задачам соответствует и характер прикрепления соответствующих мышц. Так, дельтовидная мышца, расположенная в области плечевого сустава, имеет небольшую поверхность опоры и прикрепляется на плечевой кости вблизи от места опоры рычага. У мышц нижних конечностей площадь опоры велика и точка приложения силы находится далеко от точки опоры. У ягодичной мышцы площадь опоры в 23 раза больше, чем у дельтовидной, а площадь прикрепления - больше в 4,5 раза.

Между силой мышцы и величиной ее укорочения нет прямо пропорциональной зависимости. Максимальное укорочение мышцы, а следовательно, и интенсивность сокращения, вызываемого этим укорочением движения, в том или ином суставе зависит от длины мышечных волокон. Она наибольшая в мышцах с параллельным расположением волокон, в то время как большей силой обладают перистые мышцы. Первоначально растянутая мышца при сокращении укорачивается на большую величину.

Работа мышцы при сокращении равна произведению массы груза на поднятую высоту. Отсюда следует, что максимальная работа, выполняемая при одиночном сокращении мышцы, зависит от ее силы (чем больше сила, тем больший груз может быть поднят) и степени укорочения мышцы. В про-

Рис. 732.

а - рычаг равновесия; б - рычаг скорости. Треугольник - точка опоры; темные стрелки показывают направление сил мышечной тяги; пунктирные стрелки - направление силы тяжести; пунктирная стрелка - движение цессе естественной деятельности человека величина работы, выполняемой той или иной мышцей, в значительной степени зависит от се способности длительно находиться в сокращенном состоянии (выносливость мышц). Различают выносливость к статическим и динамическим усилиям. Выносливость к статическим усилиям определяется временем, в течение которого удерживается величина заданного усилия. У разных мышц она неодинакова. Наименьшей выносливостью характеризуется трехглавая мышца плеча (1 мин - при усилии, равном 50% максимального), наибольшей - икроножная мышца (7 мин).

Выносливость к длительной работе зависит не только от величины поднимаемого груза, но и от темпа работы. Работа бывает наибольшей при какой-то средней величине груза и частоте движений. Для каждого вида мышечной деятельности можно подобрать некоторый средний (оптимальный) ритм и величину нагрузки, при которой работа станет максимальной, а утомление будет развиваться постепенно.

Работа мышц - необходимое условие их сокращения. Длительная бездеятельность ведет к атрофии мышц и потере работоспособности. Умеренная систематическая работа мышц способствует увеличению их объема, возрастанию силы и работоспособности, что важно для физического развития всего организма.

При длительной динамической или статической работе наступает утомление мышц. Утомлением называют временное понижение работоспособности клетки, органа или целостного организма, наступающее в результате работы и исчезающее после отдыха. В естественных условиях утомление связано, прежде всего, с изменениями, происходящими в нервной системе, в частности с нарушением проведения возбуждения в межнейрональных и нервно-мышечных синаптических контактах. Скорость наступления утомления зависит от состояния нервной системы, ритма, в котором производится работа, и от величины нагрузки. После отдыха работоспособность восстанавливается. И. М. Сеченов впервые (в 1903 г.) показал, что восстановление работоспособности утомленных мышц руки человека после длительной работы по подъему груза происходит быстрее, если в период отдыха производить работу другой рукой или ногой. Такой отдых был назван активным.

Чередование умственного и физического труда, динамические паузы до и во время занятий способствуют повышению работоспособности детей и взрослых. Чем меньше ребенок, тем быстрее у него развивается утомление. В грудном возрасте утомление наступает через 1,5-2 часа обычного бодрствования. Дети утомляются и при неподвижности или длительном ограничении движений.

Мышцы человека даже в покое находятся в несколько сокращенном состоянии. Длительное удерживание напряжения называют мышечным тонусом . Во время сна или при наркозе тонус мышц снижается и вследствие этого тело расслабляется. Тонические сокращения мышц не приводят к развитию утомления. Полное исчезновение тонуса мышц наблюдается только после смерти. Сохранение тонуса обусловлено постоянным поступлением к мышце следующих друг за другом с большими интервалами нервных импульсов от двигательных нейронов Ц11С. Активность этих нейронов поддерживается импульсами, поступающими из вышележащих отделов ЦНС и от рецепторов мышц - мышечных веретен.

Тонус мышц играет важную роль в осуществлении координации движений. У новорожденных и грудных детей преобладает тонус мышц-сгибателей, обусловленный повышенной возбудимостью красного ядра среднего мозга. По мере функционального созревания пирамидной системы мозга и нейронов коры больших полушарий тонус мышц у детей снижается. Это четко проявляется во втором полугодии жизни ребенка и является необходимым условием для развития ходьбы. К трем - пяти годам устанавливается равновесие тонуса мышц-аитагонистов.

text_fields

text_fields

arrow_upward

В покоящихся мы­шечных волокнах при отсутствии импульсации мотонейрона по­перечные миозиновые мостики не прикреплены к актиновым миофиламентам. Тропомиозин расположен таким образом, что бло­кирует участки актина, способные взаимодействовать с попере­чными мостиками миозина. Тропонин тормозит миозин - АТФ-азную активность и поэтому АТФ не расщепляется. Мышечные волокна находятся в расслабленном состоянии.

При сокращении мышцы длина А-дисков не меняется, J-диски укорачиваются, а Н-зона А-дисков может исчезать (рис. 4.3.).

Рис.4.3. Сокращение мышцы. А — Поперечные мостики между актином и миозином разомкнуты. Мышца находится в расслабленном состоянии.
Б — Замыкание поперечных мостиков между актином и миозином. Совершение головками мостиков гребковых движений по направлению к центру саркомера. Скольжение актиновых нитей вдоль миозиновых, укорочение саркомера, развитие тяги.

Эти данные явились основой для создания теории, объясняющей сокра­щение мышцы механизмом скольжения (теорией скольжения) тон­ких актиновых миофиламентов вдоль толстых миозиновых. В ре­зультате этого миозиновые миофиламенты втягиваются между окру­жающими их актиновыми. Это приводит к укорочению каждого саркомера, а значит, и всего мышечного волокна.

Молекулярный механизм сокращения мышечного волокна состоит в том, что возникающий в области концевой пластинки потенциал действия распространяется по системе поперечных трубочек вглубь волокна, вызывает деполяризацию мембран цистерн саркоплазмати-ческого ретикулума и освобождение из них ионов кальция. Свобод­ные ионы кальция в межфибриллярном пространстве запускают процесс сокращения. Совокупность процессов, обуславливающих распространение потенциала действия вглубь мышечного волокна, выход ионов кальция их саркоплазматического ретикулума, взаимо­действие сократительных белков и укорочение мышечного волокна называют «электромеханическим сопряжением». Временная последо­вательность между возникновением потенциала действия мышечного волокна, поступлением ионов кальция к миофибриллам и развитием сокращения волокна показана на рисунке 4.4.

При концентрации ионов Са 2+ в межмиофибриллярном пространстве ниже 10″ тропомиозин располагается таким образом, что блокирует прикрепление поперечных миозиновых мостиков к нитям актина. По­перечные мостики миозина не взаимодействуют с нитями актина. Продвижение относительно друг друга нитей актина и миозина отсут­ствует. Поэтому мышечное волокно находится в расслабленном состо­янии. При возбуждении волокна Са 2+ выходит из цистерн саркоплазматического ретикулума и, следовательно, концентрация его вблизи миофибрилл возрастает. Под влиянием активирующих ионов Са 2+ молекула тропонина изменяет свою форму таким образом, что вытал­кивает тропомиозин в желобок между двумя нитями актина, освобож­дая тем самым участки для прикрепления миозиновых поперечных мостиков к актину. В результате поперечные мостики прикрепляются к актиновым нитям. Поскольку головки миозина совершают «гребковые» движения в сторону центра саркомера происходит «втягивание» актиновых миофиламентов в промежутки между толстыми миозиновыми нитями и укорочение мышцы.

Источник энергии для сокращения мышечных волокон

text_fields

text_fields

arrow_upward

Источником энергии для сокращения мышечных волокон служит АТФ. С инактивацией тропонина ионами кальция активируются каталитические центры для расщепления АТФ на головках миозина. Фермент миозиновая АТФ-аза гидролизует АТФ, расположенный на головке миозина, что обеспечивает энергией поперечные мостики. Освобождающиеся при гидролизе АТФ молекула АДФ и неоргани­ческий фосфат используются для последующего ресинтеза АТФ. На миозиновом поперечном мостике образуется новая молекула АТФ. При этом происходит разъединение поперечного мостика с нитью актина. Повторное прикрепление и отсоединение мостиков продол­жается до тех пор, пока концентрация кальция внутри миофибрилл не снижается до подпороговой величины. Тогда мышечные волокна начинают расслабляться.

При однократном движении поперечных мостиков вдоль актино­вых нитей (гребковых движениях) саркомер укорачивается примерно на 1% его длины. Следовательно, для полного изотонического со­кращения мышцы необходимо совершить около 50 таких гребковых движений. Только ритмическое прикрепление и отсоединение голо­вок миозина может втянуть нити актина вдоль миозиновых и со­вершить требуемое укорочение целой мышцы. Напряжение, разви­ваемое мышечным волокном, зависит от числа одновременно зам­кнутых поперечных мостиков. Скорость развития напряжения или укорочения волокна определяется частотой замыкания поперечных мостиков, образуемых в единицу времени, то есть скоростью их прикрепления к актиновым миофиламентам. С увеличением скорос­ти укорочения мышцы число одновременно прикрепленных попере­чных мостиков в каждый момент времени уменьшается. Этим и можно объяснить уменьшение силы сокращения мышцы с увеличе­нием скорости ее укорочения.

При одиночном сокращении процесс укорочения мышечного во­локна заканчивается через 15-50 мс, так как активирующие его ионы кальция возвращаются при помощи кальциевого насоса в цистерны саркоплазматического ретикулума. Происходит расслабле­ние мышцы.

Поскольку возврат ионов кальция в цистерны саркоплазматичес­кого ретикулума идет против диффузионного градиента, то этот процесс требует затрат энергии. Ее источником служит АТФ. Одна молекула АТФ затрачивается на возврат 2-х ионов кальция из межфибриллярного пространства в цистерны. При снижении содер­жания ионов кальция до подпорогового уровня (ниже 10 V) моле­кулы тропонина принимают форму, характерную для состояния покоя. При этом вновь тропомиозин блокирует участки для при­крепления поперечных мостиков к нитям актина. Все это приводит к расслаблению мышцы вплоть до момента прихода очередного потока нервных импульсов, когда описанный выше процесс повто­ряется. Таким образом, кальций в мышечных волокнах играет роль внутриклеточного посредника, связывающего процессы возбуждения и сокращения.

Режимы и типы мышечных сокращений

text_fields

text_fields

arrow_upward

3.1. Одиночное сокращени

Режим сокращений мы­шечных волокон определяется частотой импульсации мотонейронов. Механический ответ мышечного волокна или отдельной мышцы на однократное их раздражение называется одиночным сокращением .

При одиночном сокращении выделяют:

1. Фазу развития напряжения или укорочения;

2. Фазу расслабления или удлинения (рис.4.5.).

Фаза расслабления продолжается примерно в два раза дольше, чем фаза напряжения. Длительность этих фаз зависит от морфофункциональных свойств мышечного волокна: у наиболее быстро сокращающихся волокон глазных мышц фаза напряжения составляет 7-10 мс, а у наиболее медленных волокон камбаловидной мышцы - 50-100 мс.

В естественных условиях мышечные волокна двигательной едини­цы и скелетная мышца в целом работают в режиме одиночного сокращения только в том случае, когда длительность интервала между последовательными импульсами мотонейрона равна или пре­вышает длительность одиночного сокращения иннервируемых им мышечных волокон. Так, режим одиночного сокращения медленных волокон камбаловидной мышцы человека обеспечивается при частоте импульсации мотонейрона менее 10 имп/с, а быстрых волокон глазодвигательных мышц - при частоте импульсации мотонейрона менее 50 имп/с.

В режиме одиночного сокращения мышца способна работать дли­тельное время без развития утомления. Однако в связи с тем, что длительность одиночного сокращения невелика, развиваемое мы­шечными волокнами напряжение не достигает максимально возмож­ных величин. При относительно высокой частоте импульсации мо­тонейронов каждый последующий раздражающий импульс приходит­ся на фазу предшествующего напряжения волокона, то есть до того момента, когда оно начинает расслабляться. В этом случае механи­ческие эффекты каждого предыдущего сокращения суммируются с последующим. Причем величина механического ответа на каждый последующий импульс меньше, чем на предыдущий. После несколь­ких первых импульсов последующие ответы мышечных волокон не изменяют достигнутого напряжения, а лишь поддерживают его. Та­кой режим сокращения называется гладким тетанусом (рис.4.6.). В подобном режиме двигательные единицы мышц человека работают при развитии максимальных изометрических усилий. При гладком тетанусе развиваемое ДЕ напряжение в 2-4 раза больше, чем при одиночных сокращениях.

В тех случаях, когда промежутки между последовательными им­пульсами мотонейрона меньше времени полного цикла одиночного сокращения, но больше длительности фазы напряжения, сила со­кращения ДЕ колеблется. Этот режим сокращения называется зуб­ чатым тетанусом (рис. 4.6.).

Гладкий тетанус для быстрых и медленных мыши достигается при разных частотах импульсации мотонейронов. Зависит это от времени одиночного сокращения. Так, гладкий тетанус для быстрой глазо­двигательной мышцы проявляется при частотах свыше 150-200 имп/с, а у медленной камбаловидной мышцы - при частоте около 30 имп/с. В режиме тетанического сокращения мышца способна работать лишь короткое время. Это объясняется тем, что из-за отсутствия периода расслабления она не может восстановить свой энергетический потенциал и работает как бы «в долг».

Механическая реакция целой мышцы при ее возбуждении

Механическая реакция целой мышцы при ее возбуждении выра­жается в двух формах - в развитии напряжения и в укорочении. В естественных условиях деятельности в организме человека степень укорочения мышцы может быть различной.

По величине укорочения различают три типа мышечного сокращения:

1. Изотоничес­кий - это сокращение мышцы, при которой ее волокна укорачи­ваются при постоянной внешней нагрузке. В реальных движениях чисто изотоническое сокращение практически отсутствует;

2. Изо­метрический - это тип активации мышцы, при котором она развивает напряжение без изменения своей длины. Изометрическое сокращение лежит в основе статической работы;

3. Ауксотонический или анизотонический тип - это режим, в котором мыш­ца развивает напряжение и укорачивается. Именно такие сокраще­ния имеют место в организме при естественных локомоциях - ходьбе, беге и т.д.

3.2. Динамическое сокращени

Изотонический и анизотонический типы сокра­щения лежат в основе динамической работы локомоторного аппа­рата человека.

При динамической работе выделяют:

1. Концентрический тип сокращения - когда внешняя нагрузка меньше, чем развива­емое мышцей напряжение. При этом она укорачивается и вызывает движение;

2. Эксцентрический тип сокращения - когда внешняя нагрузка больше, чем напряжение мышцы. В этих условиях мышца, напрягаясь, все же растягивается (удлиняется), совершая при этом отрицательную (уступающую) динамическую работу

В основе сокращения мышц лежит взаимное перемещение двух систем нитей, образованных актином и миозином. АТФ гидролизуется в активном центре, расположенном в головках миозина. Гидролиз сопровождается изменением ориентации головок миозина и перемещением нитей актина. Регуляция сокращения обеспечивается специальными Са-связывающими белками, расположенными на нитях актина или миозина.

Введение. Различные формы подвижности характерны практически для всех живых организмов. В ходе эволюции у животных возникли специальные клетки и ткани, главной функцией которых является генерация движения. Мышцы являются высоко специализированными органами, способными за счет гидролиза АТФ генерировать механические усилия и обеспечивать перемещение животных в пространстве. При этом в основе сокращения мышц практически всех типов лежит перемещение двух систем белковых нитей (филаментов), построенных в основном из актина и миозина.

Ультраструктура мышц. Для высокоэффективного преобразования энергии АТФ в механическую работу мышцы должны обладать строго упорядоченной структурой. Действительно, упаковка сократительных белков в мышце сравнима с упаковкой атомов и молекул в составе кристалла. Рассмотрим строение скелетной мышцы (рис. 1).

Веретенообразная мышца состоит из пучков мышечных волокон. Зрелое мышечное волокно практически полностью заполнено миофибриллами - цилиндрическими образованиями, сформированными из системы перекрывающихся толстых и тонких нитей, образованных сократительными белками. В миофибриллах скелетных мышц наблюдается правильное чередование более светлых и более темных участков. Поэтому часто скелетные мышцы называют поперечнополосатыми. Миофибрилла состоит из одинаковых повторяющихся элементов, так называемых саркомеров (см. рис. 1). Саркомер ограничен с двух сторон Z-дисками. К этим дискам с обеих сторон прикрепляются тонкие актиновые нити. Нити актина обладают низкой плотностью и поэтому под микроскопом кажутся более прозрачными или более светлыми. Эти прозрачные, светлые области, располагающиеся с обеих сторон от Z-диска, получили название изотропных зон (или I-зон) (см. рис.1). В середине саркомера располагается система толстых нитей, построенных преимущественно из другого сократительного белка, миозина. Эта часть саркомера обладает большей плотностью и образует более темную анизотропную зону (или А-зону).

В ходе сокращения миозин становится способным взаимодействовать с актином и начинает тянуть нити актина к центру саркомера (см. рис. 1). Вследствие такого движения уменьшается длина каждого саркомера и всей мышцы в целом. Важно отметить, что при такой системе генерации движения, получившей название системы скользящих нитей, не изменяется длина нитей (ни нитей актина, ни нитей миозина). Укорочение является следствием лишь перемещения нитей друг относительно друга.

Сигналом для начала мышечного сокращения является повышение концентрации Са 2+ внутри клетки. Концентрация кальция в клетке регулируется с помощью специальных кальциевых насосов, встроенных в наружную мембрану и мембраны саркоплазматического ретикулума, который оплетает миофибриллы (см. рис. 1). Приведенная схема дает общее представление о механизме сокращения мышц. Для понимания молекулярных основ этого процесса обратимся к анализу свойств основных сократительных белков.

Строение и свойства актина. Актин был открыт в 1948 году венгерским биохимиком Бруно Штраубом. Название этот белок получил из-за своей способности активировать (отсюда актин) гидролиз АТФ, катализируемый миозином. Актин является одним из вездесущих белков, он обнаружен практически во всех клетках животных и растений. Этот белок очень консервативен.

Мономеры актина (их часто называют G-актином, то есть глобулярным актином) могут взаимодействовать друг с другом, образуя так называемый фибриллярный (или F-актин). Процесс полимеризации можно инициировать повысив концентрацию одно- или двухвалентных катионов или добавив специальные белки. Процесс полимеризации становится возможным потому, что мономеры актина могут узнавать друг друга и образовывать межмолекулярные контакты.

Полимеризованный актин внешне похож на две скрученные друг относительно друга нитки бус, где каждая бусина представляет собой мономер актина (рис. 2, а). Молекула актина далеко не симметрична, поэтому для того, чтобы стала видна эта асимметрия, часть шарика актина на рис. 2, б затемнена. Процесс полимеризации актина строго упорядочен, и мономеры актина упаковываются в полимер только в определенной ориентации. Поэтому мономеры, расположенные на одном конце полимера, повернуты к растворителю одним, например, темным концом, а мономеры, расположенные на другом конце полимера, обращены к растворителю другим (светлым) концом (рис. 2, б). Вероятность присоединения мономера на темном и светлом концах полимера различна. Тот конец полимера, где скорость полимеризации больше, называют плюс-концом, а противоположный конец полимера обозначают как минус-конец.

Актин является уникальным строительным материалом, широко используемым клеткой для построения различных элементов цитоскелета и сократительного аппарата. Использование актина для строительных нужд клетки обусловлено тем, что процессы полимеризации и деполимеризации актина можно легко регулировать с помощью специальных, связывающихся с актином белков. Есть белки, связывающиеся с мономерным актином (например, профилин, рис. 2, б). Эти белки, находясь в комплексе с глобулярным актином, препятствуют его полимеризации. Есть специальные белки, которые, как ножницы, разрезают уже сформировавшиеся нити актина на более короткие фрагменты. Некоторые белки преимущественно связываются и формируют шапочку ("кепируют" от английского слова "cap", шапка) на плюс-конце полимерного актина. Другие белки кепируют минус-конец актина. Существуют белки, которые могут сшивать уже сформировавшиеся нити актина. При этом образуются либо крупноячеистые гибкие сети, либо упорядоченные жесткие пучки нитей актина (рис. 2, б).

Все нити актина в саркомере имеют постоянную длину и правильную ориентацию, при этом плюс-концы филаментов располагаются в Z-диске, а минус-концы - в центральной части саркомера. Вследствие такой упаковки нити актина, расположенные в левой и правой частях саркомера, имеют противоположную направленность (это показано на рис. 1 в виде противоположно направленных галочек на нитях актина в нижней части рис. 1).

Строение и свойства миозина. В настоящее время описано несколько (более десяти) различных видов молекул миозина. Рассмотрим строение наиболее подробно изученного миозина скелетных мышц (рис. 3, а). В состав молекулы миозина скелетных мышц входят шесть полипептидных цепей - две так называемые тяжелые цепи миозина и четыре легкие цепи миозина (ЛЦМ). Эти цепи прочно ассоциированы друг с другом (нековалентными связями) и образуют единый ансамбль, который собственно и является молекулой миозина.

Тяжелые цепи миозина имеют большую молекулярную массу (200000-250000) и сильно асимметричную структуру (рис. 3, а). У каждой тяжелой цепи есть длинный спирализованный хвост и маленькая компактная грушевидная головка. Спирализованные хвосты тяжелых цепей миозина скручены между собой наподобие каната (рис. 3, а). Этот канат обладает довольно высокой жесткостью, и поэтому хвост молекулы миозина образуют палочкообразные структуры. В нескольких местах жесткая структура хвоста нарушена. В этих местах располагаются так называемые шарнирные участки, обеспечивающие подвижность отдельных частей молекулы миозина. Шарнирные участки легко подвергаются расщеплению под действием протеолитических (гидролитических) ферментов, что приводит к образованию фрагментов, сохраняющих определенные свойства неповрежденной молекулы миозина (рис. 3, а).

В области шейки, то есть при переходе грушевидной головки тяжелой цепи миозина в спиральный хвост, располагаются короткие легкие цепи миозина, имеющие молекулярную массу 18000-28000 (эти цепи изображены в виде дуг на рис. 3, а). С каждой головкой тяжелой цепи миозина связаны одна регуляторная (красная дуга) и одна существенная (синяя дуга) легкая цепь миозина. Обе легкие цепи миозина тем или иным способом влияют на способность миозина взаимодействовать с актином и участвуют в регуляции мышечного сокращения.

Палочкообразные хвосты могут слипаться друг с другом за счет электростатических взаимодействий (рис. 3, б). При этом молекулы миозина могут располагаться либо параллельно, либо антипараллельно друг относительно друга (рис. 3, б). Параллельные молекулы миозина смещены друг относительно друга на определенное расстояние. При этом головки вместе со связанными с ними легкими цепями миозина располагаются на цилиндрической поверхности (образованной хвостами молекул миозина) в виде своеобразных выступов-ярусов.

Хвосты миозина скелетных мышц могут упаковываться как в параллельном, так и в антипараллельном направлении. Комбинация параллельной и антипараллельной упаковок приводит к формированию так называемых биполярных (то есть двухполюсных) филаментов миозина (рис. 3, б). Такой филамент состоит примерно из 300 молекул миозина. Половина молекул миозина повернута своими головами в одну сторону, а вторая половина - в другую сторону. Биполярный миозиновый филамент располагается в центральной части саркомера (см. рис. 1). Разная направленность головок миозина в левой и правой частях толстого филамента обозначена разнонаправленными галочками на нитях миозина в нижней части рис. 1.

Главной "моторной" частью миозина скелетных мышц является головка тяжелой цепи миозина вместе со связанной с ней легкими цепями миозина. Головки миозина могут дотягиваться до нитей актина и контактировать с ними. При замыкании таких контактов образуются так называемые поперечные мостики, которые собственно генерируют тянущее усилие и обеспечивают скольжение нитей актина относительно миозина. Попытаемся представить, как работает такой одиночный поперечный мостик.

Современные представления о механизме функционирования головок миозина. В 1993 году удалось закристаллизовать изолированные и специальным образом модифицированные головки миозина. Это позволило установить структуру головок миозина и сформулировать гипотезы о том, каким образом головки миозина могут перемещать нити актина.

А – головка миозина ориентирована таким образом, что актинсвязывающий центр (окрашен красным) расположен в правой части. Ясно видна щель ("рас- крытая пасть"), разделяющая две половинки (две "челюсти") актинсвязывающего центра б – схема одиночного шага головки миозина по нити актина. Актин изображен в виде гирлянды шариков. В нижней части головки изображена щель, разделя- ющая две части актинсвязывающего центра. Адено- зин обозначен А, а фосфатные группы – в виде ма- леньких кружков. Между состояниями 5 и 1 схемати- чески показана переориентация шейки миозина, происходящая при генерации тянущего усилия (по с изменениями и упрощениями)

Оказалось, что в головке миозина можно выявить три основные части (рис. 4). N-концевая часть головки миозина с молекулярной массой около 25000 (обозначена зеленым цветом на рис. 4, а) формирует АТФ-связывающий центр. Центральная часть головки миозина с молекулярной массой 50000 (обозначена красным цветом на рис. 4, а) содержит в своем составе центр связывания актина. Наконец, С-концевая часть с молекулярной массой 20000 (обозначена фиолетовым цветом на рис. 4, а) образует как бы каркас всей головки. Эта часть соединена гибким шарнирным сочленением со спирализованным хвостом тяжелых цепей миозина (см. рис. 4, а). В С-концевой части головки миозина располагаются центры связывания существенной (желтая на рис. 4, а) и регуляторной (светло-фиолетовая на рис. 4, а) легких цепей миозина. Общий контур головки миозина напоминает змею с приоткрытой "пастью". Челюсти этой "пасти" (окрашены красным на рис. 4, а) формируют актинсвязывающий центр. Предполагается, что в ходе гидролиза АТФ происходит периодическое открывание и закрывание этой "пасти". В зависимости от положения "челюстей" головка миозина более или менее прочно взаимодействует с актином.

Рассмотрим цикл гидролиза АТФ и перемещение головки по актину. В исходном состоянии головка миозина не насыщена АТФ, "пасть" закрыта, актинсвязывающие центры ("челюсти") сближены и головка прочно взаимодействует с актином. При этом спирализованная "шейка" ориентирована под углом 45? относительно нити актина (состояние 1 на рис. 4, б). При связывании АТФ в активном центре "пасть" раскрывается, актинсвязывающие участки, расположенные на двух "челюстях" пасти, удаляются друг от друга, прочность связи миозина с актином ослабевает и головка диссоциирует от нити актина (состояние 2 на рис. 4, б). Гидролиз АТФ в активном центре диссоциировавшей от актина головки миозина приводит к закрыванию щели активного центра, изменению ориентации "челюстей" и переориентации спирализованной шейки. После гидролиза АТФ до АДФ и неорганического фосфата шейка оказывается повернутой на 45? и занимает положение, перпендикулярное длинной оси нити актина (состояние 3 на рис. 4, б). После всех этих событий головка миозина вновь оказывается способной взаимодействовать с актином. Однако если в состоянии 1 головка контактировала со вторым сверху мономером актина, то сейчас из-за поворота шейки головка зацепляется и взаимодействует уже с третьим сверху мономером актина (состояние 4 на рис. 4, б). Образование комплекса с актином вызывает структурные изменения в головке миозина. Эти изменения позволяют выбросить из активного центра миозина неорганический фосфат, который образовался в ходе гидролиза АТФ. Одновременно происходит переориентация шейки. Она занимает положение под углом 45° по отношению к нити актина и в ходе переориентации развивается тянущее усилие (состояние 5 на рис. 4, б). Головка миозина проталкивает нить актина на шаг вперед. После этого из активного центра выбрасывается другой продукт реакции, АДФ. Цикл замыкается, и головка переходит в исходное состояние (состояние 1 на рис. 4, б).

Каждая из головок генерирует маленькое тянущее усилие (несколько пиконьютонов). Однако все эти маленькие усилия суммируются, и вследствие этого мышца может развивать достаточно большие напряжения. Очевидно, что, чем больше область перекрытия тонких и толстых филаментов (то есть чем больше головок миозина может зацепиться за нити актина), тем большее усилие может генерироваться мышцей.

Механизмы регуляции мышечного сокращения. Мышца не могла бы выполнять свою функцию, если она постоянно находилась бы в сокращенном состоянии. Для эффективной работы необходимо, чтобы в мышце были специальные "выключатели", которые позволяли бы головке миозина шагать по нити актина только в строго определенных условиях (например, при химической или электрической стимуляции мышцы). Стимуляция приводит к кратковременному увеличению концентрации Са 2+ внутри мышцы с 10 -7 до 10 -5 М. Ионы Са 2+ являются сигналом для начала мышечного сокращения.

Таким образом, для регуляции сокращения необходимы специальные регуляторные системы, которые могли бы отслеживать изменения концентрации Са 2+ внутри клетки. Регуляторные белки могут располагаться на тонком и толстом филаментах или находиться в цитоплазме. В зависимости от того, где располагаются Са-связывающие белки, принято различать так называемый миозиновый и актиновый типы регуляции сократительной активности.

Миозиновый тип регуляции сократительной активности. Простейший способ миозиновой регуляции описан для некоторых мышц моллюсков. Миозин моллюсков по своему составу не отличается от миозина скелетных мышц позвоночных. В обоих случаях в состав миозина входят две тяжелые цепи (с молекулярной массой 200000-250000) и четыре легкие цепи (с молекулярной массой 18000-28000) (см. рис. 3). Считается, что при отсутствии Са 2+ легкие цепи обернуты вокруг шарнирного участка тяжелой цепи миозина. При этом подвижность шарнира сильно ограничена. Головка миозина не может совершать колебательных движений, она как бы заморожена в одном положении относительно ствола толстого филамента (рис. 5, а). Очевидно, что в таком состоянии головка не может осуществлять колебательные ("загребательные") движения и вследствие этого не может перемещать нить актина. При связывании Са 2+ происходят изменения структуры легких и тяжелых цепей миозина. Резко повышается подвижность в области шарнира. Теперь после гидролиза АТФ головка миозина может осуществлять колебательные движения и проталкивать нити актина относительно миозина.

Для гладких мышц позвоночных (таких, как мышцы сосудов, матка), а также для некоторых форм немышечной подвижности (изменение формы тромбоцитов) также характерен так называемый миозиновый тип регуляции. Как и в случае мышц моллюсков, миозиновый тип регуляции гладких мышц связан с изменением структуры легких цепей миозина. Однако в случае гладких мышц этот механизм заметно усложнен.

Оказалось, что с миозиновыми филаментами гладких мышц связан специальный фермент. Этот фермент получил название "киназа легких цепей миозина" (КЛЦМ). Киназа легких цепей миозина относится к группе протеинкиназ, ферментов, способных переносить концевой остаток фосфата АТФ на оксигруппы остатков серина или треонина белка. В состоянии покоя при низкой концентрации Са 2+ в цитоплазме киназа легких цепей миозина неактивна. Это связано с тем, что в структуре фермента есть специальный ингибиторный (блокирующий активность) участок. Ингибиторный участок попадает в активный центр фермента и, не давая возможности взаимодействовать с истинным субстратом, полностью блокирует активность фермента . Таким образом, фермент как бы усыпляет сам себя.

А – гипотетическая схема механизма регуляции сокращения мышц моллюсков. Изображе- ны одна головка миозина с легкими цепями и нить актина в виде пяти кружков. В состоянии расслабления (а) легкие цепи миозина уменьшают подвижность шарнира, соединяющего головку со стволом миозинового филамента. После связывания Са 2+ (б) подвижность шарнира повышается, головка миозина осуществляет колебательные движения и проталкивает актин относительно миозина. Б – схема регуляции сократительной активности гладких мышц позвоночных. СаМ – каль- модулин; КЛЦМ – киназа легких цепей миозина; ФЛЦМ – фосфатаза легких цепей миозина; Р-миозин – фосфорилированный миозин (по с упрощениями и изменениями)

В цитоплазме гладких мышц есть специальный белок кальмодулин, содержащий в своей структуре четыре Са-связывающих центра . Связывание Са 2+ вызывает изменения в структуре кальмодулина. Насыщенный Са 2+ кальмодулин оказывается способным взаимодействовать с КЛЦМ (рис. 5, Б). Посадка кальмодулина приводит к удалению ингибиторного участка из активного центра, и киназа легких цепей миозина как бы просыпается. Фермент начинает узнавать свой субстрат и переносит остаток фосфата от АТФ на один (или два) остатка серина, расположенных около N-конца регуляторной легкой цепи миозина. Фосфорилирование регуляторной легкой цепи миозина приводит к значительным изменениям структуры как самой легкой цепи, так, по-видимому, и тяжелой цепи миозина в области ее контакта с легкой цепью. Только после фосфорилирования легкой цепи миозин оказывается способным взаимодействовать с актином и начинается мышечное сокращение (рис. 5, Б).

Понижение концентрации кальция в клетке вызывает диссоциацию ионов Са 2+ из катионсвязывающих центров кальмодулина. Кальмодулин диссоциирует от киназы легких цепей миозина, которая тут же теряет свою активность под действием своего же ингибиторного пептида и опять как бы впадает в спячку. Но пока легкие цепи миозина находятся в фосфорилированном состоянии, миозин продолжает осуществлять циклическое протягивание нитей актина. Для того чтобы остановить циклические движения головок, надо удалить остаток фосфата с регуляторной легкой цепи миозина. Этот процесс осуществляется под действием другого фермента - так называемой фосфатазы легких цепей миозина (ФЛЦМ на рис. 5, Б). Фосфатаза катализирует быстрое удаление остатков фосфата с регуляторной легкой цепи миозина. Дефосфорилированный миозин не способен осуществлять циклические движения своей головкой и подтягивать нити актина. Наступает расслабление (рис. 5, Б).

Таким образом, как в мышцах моллюсков, так и в гладких мышцах позвоночных основой регуляции является изменение структуры легких цепей миозина.

Рис. 6. Структурные основы актинового типа регуляции сокращения мышц а – актиновый филамент с расположенным в канавках спирали непрерывным тяжем молекул тропомиозина; б – взаимное расположение тонких и толстых филаментов в саркомере поперечнополосатых и сердечных мышц. Укрупненное изображение части актинового филамента в состоянии расслабления (в) и сокращения (г). TnC, TnI и TnT соответственно тропонин С, тропонин I и тропонин Т. Буквами N, I и C обозначены соответственно N-концевая, ингибиторная и С-концевая части тропонина I (по с изменениями и упрощениями)

Актиновый механизм регуляции мышечного сокращения. Связанный с актином механизм регуляции сократительной активности характерен для поперечнополосатых скелетных мышц позвоночных и сердечной мышцы. Нити фибриллярного актина в скелетных и сердечных мышцах имеют вид двойной нитки бус (рис. 2 и 6, а). Нитки бус актина перекручены друг относительно друга, поэтому с двух сторон филамента образуются канавки. В глубине этих канавок размещается сильно спирализованный белок тропомиозин. Каждая молекула тропомиозина состоит из двух одинаковых (или очень похожих друг на друга) полипептидных цепей, которые перекручены друг относительно друга наподобие девичьей косы. Располагаясь внутри канавки актина, палочкообразная молекула тропомиозина контактирует с семью мономерами актина. Каждая молекула тропомиозина взаимодействует не только с мономерами актина, но и с предыдущей и последующей молекулами тропомиозина, вследствие чего внутри всей канавки актина формируется непрерывный тяж молекул тропомиозина. Таким образом, внутри всего актинового филамента проложен своеобразный кабель, образованный молекулами тропомиозина.

На актиновом филаменте помимо тропомиозина располагается еще и тропониновый комплекс. Этот комплекс состоит из трех компонентов, каждый из которых выполняет характерные функции . Первый компонент тропонина, тропонин С, способен связывать Са 2+ (аббревиатура С указывает именно на способность этого белка связывать Са 2+). По структуре и свойствам тропонин С очень похож на кальмодулин (подробнее см. ). Второй компонент тропонина, тропонин I, был обозначен так потому, что он может ингибировать (подавлять) гидролиз АТФ актомиозином. Наконец, третий компонент тропонина называется тропонином Т потому, что этот белок прикрепляет тропонин к тропомиозину. Полный тропониновый комплекс имеет форму запятой, размеры которой сопоставимы с размерами 2-3 мономеров актина (см. рис. 6, в, г). Один тропониновый комплекс приходится на семь мономеров актина.

В состоянии расслабления концентрация Са 2+ в цитоплазме очень мала. Регуляторные центры тропонина С не насыщены Са 2+ . Именно поэтому тропонин С только своим С-концом слабо взаимодействует с тропонином I (рис. 6, в). Ингибиторный и С-концевой участки тропонина I взаимодействуют с актином и с помощью тропонина Т выталкивают тропомиозин из канавки на поверхность актина. До тех пор пока тропомиозин располагается на периферии канавки, доступность актина для головок миозина ограниченна. Контакт актина с миозином возможен, но площадь этого контакта мала, вследствие чего головка миозина не может переместиться по поверхности актина и не может генерировать тянущее усилие.

При повышении концентрации Са 2+ в цитоплазме происходит насыщение регуляторных центров тропонина С (рис. 6, г). Тропонин С образует прочный комплекс с тропонином I. При этом ингибиторная и С-концевая части тропонина I диссоциируют от актина. Теперь ничто не удерживает тропомиозин на поверхности актина, и он закатывается на дно канавки. Такое перемещение тропомиозина увеличивает доступность актина для головок миозина, увеличивается площадь контакта актина с миозином, и головки миозина приобретают возможность не только контактировать с актином, но и прокатываться по его поверхности, генерируя при этом тянущее усилие.

Таким образом, Са 2+ вызывает изменение структуры тропонинового комплекса. Эти изменения структуры тропонина приводят к перемещению тропомиозина. Из-за того, что молекулы тропомиозина взаимодействуют друг с другом, изменения положения одного тропомиозина повлечет за собой перемещение предыдущей и последующей молекул тропомиозина. Именно поэтому локальные изменения структуры тропонина и тропомиозина быстро распространяются вдоль всего актинового филамента.

Заключение. Мышцы являются наиболее совершенным и специализированным приспособлением для перемещения в пространстве. Сокращение мышц осуществляется за счет скольжения двух систем нитей, образованных основными сократительными белками (актином и миозином) друг относительно друга. Скольжение нитей становится возможным за счет циклического замыкания и размыкания контактов между нитями актина и миозина. Эти контакты формируются головками миозина, которые могут гидролизовать АТФ и за счет освободившейся энергии генерировать тянущее усилие.

Регуляция сокращения мышц обеспечивается специальными Са-связывающими белками, которые могут располагаться либо на миозиновом, либо на актиновом филаменте. В одних типах мышц (например, в гладких мышцах позвоночных) главная роль принадлежит регуляторным белкам, расположенным на миозиновом филаменте, а в других типах мышц (скелетные и сердечные мышцы позвоночных) главная роль принадлежит регуляторным белкам, расположенным на актиновом филаменте.

Литература

1. Rayment I., Rypniewski W.R., Schmidt-Base K. et al.// Science. 1993. Vol. 261. P. 50-58.
2. Гусев Н.Б. Внутриклеточные Са-связывающие белки // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 5. С. 2-16.
3. Walsh M. // Mol. Cell. Biochem. 1994. Vol. 135. P. 21-41.
4. Farah C.S., Reinach F.C. // FASEB J. 1995. Vol. 9. P. 755-767.
5. Davidson V.L., Sittman D.B. Biochemistry. Philadelphia, Harwal Publ., 1994. 584 p.
6. Wray M., Weeds A. // Nature. 1990. Vol. 344. P. 292-294.
7. Pollack G.A. Muscles and Molecules. Seattle: Ebner and Sons Publ., 1990. 300 p.

Рецензент статьи Н. К. Наградова

Николай Борисович Гусев , доктор биологических наук, профессор кафедры биохимии биологического факультета МГУ. Область научных интересов - структура белков, биохимия мышц. Автор более 90 научных работ.

Все мышцы организма делят на гладкие и поперечнополосатые. Поперечнополосатые мышцы подразделяются на два типа: скелетные мышцы и миокард.

Мембрана мышечных клеток, называемая сарколеммой, электровозбудима и способна проводить потенциал действия. Эти процессы в мышечных клетках происходят по тому же принципу, что и в нервных. Потенциал покоя мышечного волокна составляет приблизительно -90 мВ, то есть ниже, чем у нервного волокна (-70 мВ); критическая деполяризация, по достижении которой возникает потенциал действия, такая же, как у нервного волокна. Отсюда: возбудимость мышечного волокна несколько ниже возбудимости нервного, так как мышечную клетку требуется деполяризировать на большую величину.

Ответом мышечного волокна на возбуждение является сокращение , которое совершает сократительный аппарат клетки – миофибриллы . Они представляют собой тяжи, состоящие из двух видов нитей: толстых – миозиновых , и тонких – актиновых . Толстые нити (диаметром 15 нм и длиной 1,5 мкм) имеют в своем составе только один белок – миозин. Тонкие нити (диаметром 7 нм и длиной 1 мкм) содержат три вида белков: актин, тропомиозин и тропонин.

Актин представляет собой длинную белковую нить, которая состоит из отдельных глобулярных белков, сцепленных между собой таким образом, что вся структура представляет собой вытянутую цепь. Молекулы глобулярного актина (G-актина) имеют боковые и концевые центры связывания с другими такими же молекулами. В результате они объединяются таким образом, что образуют структуру, которую часто сравнивают с двумя нитками бус, соединенных вместе. Образованная из молекул G-актина лента закручена в спираль. Такая структура называется фибриллярным актином (F-актином). Шаг спирали (длина витка) составляет 38 нм, на каждый виток спирали приходится 7 пар G-актина. Полимеризация G-актина, то есть образование F-актина, происходит за счет энергии АТФ, и, наоборот, при разрушении F-актина выделяется энергия.

Рис.1. Объединение отдельных глобул G-актина в F-актин

Вдоль спиральных желобков актиновых филаментов располагается белок тропомиозин, Каждая нить тропомиозина, имеющая длину 41 нм, состоит из двух идентичных α-цепей, вместе закрученных в спираль с длиной витка 7 нм. Вдоль одного витка F-актина расположены две молекулы тропомиозина. Каждая тропомиозиновая молекула соединяется, немного перекрываясь, со следующей, в результате тропомиозиновая нить простирается вдоль актина непрерывно.

Рис.2. Строение тонкой нити миофибриллы

В клетках поперечнополосатых мышц в состав тонких нитей кроме актина и тропомиозина входит ещё и белок тропонин. Этот глобулярный белок имеет сложное строение. Он состоит из трех субъединиц, каждая из которых выполняет свою функцию в процессе сокращения.

Толстая нить состоит из большого числа молекул миозина , собранных в пучок. Каждая молекула миозина длиной 155 нм и диаметром 2 нм состоит из шести полипептидных нитей: двух длинных и четырех коротких. Длинные цепи вместе закручены в спираль с шагом 7,5 нм и образуют фибриллярную часть миозиновой молекулы. На одном из концов молекулы эти цепи раскручиваются и образуют раздвоенный конец. Каждый из этих концов образует комплекс двумя короткими цепями, то есть на каждой молекуле имеются две головки. Это глобулярная часть миозиновой молекулы.

Рис.3. Строение молекулы миозина.

В миозине выделяют два фрагмента: легкий меромиозин (ЛММ) и тяжелый меромиозин (ТММ), между ними находится шарнир. ТММ состоит из двух субфрагментов: S 1 и S 2 . ЛММ и субфрагмент S 2 вложены в пучок нитей, а субфрагмент S 1 выступает над поверхностью. Этот выступающий конец (миозиновая головка) способен связываться с активным центром на актиновой нити и изменять угол наклона к пучку миозиновых нитей. Объединение отдельных молекул миозина в пучок происходит за счет электростатических взаимодействий между ЛММ. Центральная часть нити не имеет головок. Весь комплекс миозиновых молекул простирается на 1,5 мкм. Это одна из самых больших биологических молекулярных структур, известных в природе.

При рассматривании в поляризационный микроскоп продольного среза поперечнополосатой мышцы видны светлые и темные участки. Темные участки (диски) являются анизотропными: в поляризованном свете они выглядят прозрачными в продольном направлении и непрозрачными – в поперечном, обозначаются буквой А. Светлые участки являются изотропными и обозначаются буквой I. Диск I включает в себя только тонкие нити, а диск А – и толстые, и тонкие. В середине диска А видна светлая полоска, называемая Н-зоной. Она не имеет тонких нитей. Диск I разделен тонкой полосой Z, которая представляет собой мембрану, содержащую структурные элементы, скрепляющие между собой концы тонких нитей. Участок между двумя Z-линиями называется саркомером .

Рис.4. Структура миофибриллы (поперечный срез)

Рис.5. Строение поперечнополосатой мышцы (продольный срез)

Каждая толстая нить окружена шестью тонкими, а каждая тонкая нить – тремя толстыми. Таким образом, в поперечном срезе мышечное волокно имеет правильную гексагональную структуру.

При сокращении мышцы длина актиновых и миозиновых филаментов не изменяется. Происходит лишь их смещение относительно друг друга: тонкие нити задвигаются в промежуток между толстыми. При этом длина диска А остается неизменной, а диск I укорачивается, полоска Н почти исчезает. Такое скольжение оказывается возможным благодаря существованию поперечных мостиков (миозиновых головок) между толстыми и тонкими нитями. При сокращении возможно изменение длины саркомера приблизительно от 2,5 до 1,7 мкм.

Миозиновая нить имеет на себе множество головок, которыми она может связываться с актином. Актиновая же нить, в свою очередь, имеет участки (активные центры), к которым могут прикрепляться головки миозина. В покоящейся мышечной клетке эти центры связывания прикрыты молекулами тропомиозина, что препятствует образованию связи между тонкими и толстыми нитями.

Для того чтобы актин и миозин могли взаимодействовать, необходимо присутствие ионов кальция. В покое они находятся в саркоплазматическом ретикулуме. Эта органелла представляет собой мембранные полости, содержащие кальциевый насос, который за счет энергии АТФ транспортирует ионы кальция внутрь саркоплазматического ретикулума. Его внутренняя поверхность содержит белки, способные связывать Ca 2+ , что несколько уменьшает разность концентраций этих ионов между цитоплазмой и полостью ретикулума. Распространяющийся по клеточной мембране потенциал действия активирует близко расположенную к поверхности клетки мембрану ретикулума и вызывает выход Ca 2+ в цитоплазму.

Молекула тропонина обладает высоким сродством к кальцию. Под его влиянием она изменяет положение тропомиозиновой нити на актиновой таким образом, что открывается активный центр, ранее прикрытый тропомиозином. К открывшемуся активному центру присоединяется поперечный мостик. Это приводит к взаимодействию актина с миозином. После образования связи миозиновая головка, ранее расположенная под прямым углом к нитям, наклоняется и протаскивает актиновую нить относительно миозиновой приблизительно на 10 нм. Образовавшийся атин-миозиновый комплекс препятствует дальнейшему скольжению нитей относительно друг друга, поэтому необходимо его разъединение. Это возможно только за счет энергии АТФ. Миозин обладает АТФ-азной активностью, то есть способен вызывать гидролиз АТФ. Выделяющаяся при этом энергия разрывает связь между актином и миозином, и миозиновая головка способна взаимодействовать с новым участком молекулы актина. Работа мостиков синхронизирована таким образом, что связывание, наклон и разрыв всех мостиков одной нити происходит одновременно. При расслаблении мышцы активизируется работа кальциевого насоса, что понижает концентрацию Ca 2+ в цитоплазме; следовательно, связи между тонкими и толстыми нитями уже не могут образовываться. В этих условиях при растяжении мышцы нити беспрепятственно скользят относительно друг друга. Однако такая растяжимость возможна только в присутствии АТФ. Если в клетке отсутствует АТФ, то актин-миозиновый комплекс не может разорваться. Нити остаются жестко сцепленными между собой. Это явление наблюдается при трупном окоченении.

Рис.6. Сокращение саркомера: 1 – миозиновая нить; 2 – активный центр; 3 – актиновая нить; 4 – миозиновая головка; 5 - Z-линия.

а) взаимодействие между тонкими и толстыми нитями отсутствует;

б) в присутствии Ca 2+ миозиновая головка связывается с активным центром на актиновой нити;

в) поперечные мостики наклоняются и протаскивают тонкую нить относительно толстой, вследствие чего длина саркомера уменьшается;

г) связи между нитями разрываются за счет энергии АТФ, миозиновые головки готовы взаимодействовать с новыми активными центрами.

Существует два режима сокращения мышцы: изотоническое (изменяется длина волокна, а напряжение остается неизменным) и изометрическое (концы мышцы неподвижно закреплены, вследствие чего изменяется не длина, а напряжение).

Важными характеристиками мышцы являются сила и скорость сокращения. Уравнения, выражающие эти характеристики, были эмпирически получены А.Хиллом и впоследствии подтверждены кинетической теорией мышесного сокращения (модель Дещеревского).

Уравнение Хилла , связывающее между собой силу и скорость сокращения мышцы, имеет следующий вид: (P+a)(v+b) = (P 0 +a)b = a(v max +b) , где v – скорость укорочения мышцы; P – мышечная сила или приложенная к ней нагрузка; v max - максимальная скорость укорочения мышцы; P 0 - сила, развиваемая мышцей в изометрическом режиме сокращения; a,b - константы. Общая мощность , развиваемая мышцей, определяется по формуле: N общ = (P+a)v = b(P 0 -P) . КПД мышцы сохраняет постоянное значение (около 40% ) в диапазоне значений силы от 0,2 P 0 до 0,8 P 0 . В процессе сокращения мышцы выделяется некоторое количество теплоты. Эта величина называется теплопродукцией . Теплопродукция зависит только от изменения длины мышцы и не зависит от нагрузки. Константы a и b имеют постоянные значения для данной мышцы. Константа а имеет размерность силы, а b – скорости. Константа b в значительной степени зависит от температуры. Константа а находится в диапазоне значений от 0,25 P 0 до 0,4 P 0 . По этим данным оценивается максимальная скорость сокращения для данной мышцы: v max = b (P 0 / a) .