4 механизм мышечного сокращения

Лекция № 3

МЕХАНИЗМ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

План: 1. Мышечные ткани (обзор).

2. Физиологические свойства поперечно-полосатых скелетных мышц.

3. Структурно-функциональная характеристика мускулатуры (поперечно-

полосатых мышц), их иннервация.

4. Механизм мышечного сокращения.

5. Явления, сопровождающие мышечное сокращение.

1. МЫШЕЧНЫЕ ТКАНИ (мышцы) – группа тканей организма различного происхождения, объединяемых по признаку сократимости. К ним относятся 3 вида мышц: 1) поперечно-полосатые мышцы тела (сома), 2) поперечно-полосатые мышцы предсердий и желудочков сердца (сердечная мышца), 3) гладкие мышцы внутренних органов, сосудов и кожи. Все они различаются строением и физиологическими свойствами. Поперечно-полосатые мышцы являются активной частью опорнодвигательного аппарата, который кроме этих мышц включает кости, связки, сухожилия. В результате сократительной деятельности скелетных мышц выполняются следующие функции в организме: а) передвижение организма в пространстве; б) перемещение частей тела относительно друг друга; в) поддержание позы тела в пространстве; г) выработка тепла и участие в терморегуляции; д) активация состояния коры через афферентации с рецептивных полей мышц. Гладкие мышцы составляют двигательный аппарат внутренних органов – пищеварительной трубки, легких и бронхиального дерева; системы мочеполовых органов, кровеносных и лимфатических сосудов. Сердечная поперечно-полосатая мышца – её свойства и функции рассмотрены в разделе «Кровообращение».

2. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЫШЦ. У человека, как и у всех позвоночных, волокна скелетных мышц обладают тремя важнейшими свойствами: 1)

возбудимостью,

изменениями

ионной

т.е.

способностью

проницаемости

и

отвечать мембранного

на

раздражитель потенциала

–

формированием потенциала действия (ПД); 2

2) проводимостью – способностью к проведению потенциала действия вдоль всего волокна; 3) сократимостью – способностью сокращаться и изменять напряжение (изометрическое и изотоническое) при возбуждении. В естественных условиях возбуждение и сокращение мышц вызывается нервными импульсами, поступающими к мышечным волокнам из нервных центров. Чтобы вызвать возбуждение в эксперименте, применяют электрическую стимуляцию. Непосредственное раздражение самой мышцы называется прямым раздражением; раздражение двигательного нерва, ведущее к сокращению иннервированной этим нервом мышцы, - непрямым раздражением.

3. ВИДЫ МЫШЕЧНЫХ СОКРАЩЕНИЙ. Мышцы – это «машины», которые преобразуют химическую энергию непосредственно в механическую энергию (работу) и теплоту. Мышечную работу нетрудно измерить: если изолированную мышцу холоднокровного животного, например, икроножную мышцу лягушки, нагрузить небольшим весом, а потом раздражать короткими электрическими импульсами, она будет сокращаться. Поднимая вес, она совершает работу (произведение нагрузки на истинное укорочение мышцы). Такое сокращение, когда мышца укорачивается при

постоянной

изотонического,

нагрузке,

называется

изометрическое

изотоническим.

сокращение

В

отличие

характеризуется

от

отсутствием

эффекта укорочения на фоне развиваемой мышцей силы (сухожилия на концах мышцы закреплены так, что хотя мышца развивает силу, она не может укорачиваться, т.е. не может совершать работу, хотя в физиологическом смысле она конечно работает). Ауксотонический тип мышечного сокращения – возникает в условиях работы мышцы при больших нагрузках, когда наряду с минимальными укорочениями мышца развивает максимальную силу.

3

4.

СТРУКТУРА

И

ИННЕРВАЦИЯ

ПОПЕРЕЧНО-ПОЛОСАТЫХ

СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ. Поперечно- полосатые мышцы скелета состоят из множества отдельных мышечных волокон, которые расположены в общем соединительнотканном футляре и крепятся к сухожилиям, связанным со скелетом. В некоторых мышцах все волокна параллельны длинной оси мышцы – параллельно-волокнистый тип; в других мышцах они расположены косо, прикрепляясь с одной стороны к центральному сухожильному тяжу, а с другой – к наружному сухожильному футляру – перистый тип. Основной

особенностью

поперечно-полосатого

мышечного

волокна

является наличие в его саркоплазме массы тонких (диаметром 1 мкм) нитей – миофибрилл, расположенных вдоль длинной оси волокна. Миофибриллы состоят из чередующихся светлых (изотропных – I-дисков) и темных (анизотропных – А дисков) участков, причем в массе соседних миофибрилл у поперечно-полосатых волокон одноименные диски расположены на одном уровне (поперечном сечении). Последнее придает регулярную поперечную исчерченность (полосатость) всему мышечному волокну. Комплекс из одного темного (А) и двух прилежащих светлых (I) дисков, ограниченный тонкими Zлиниями, называется саркомером. Миофибриллы, точнее – их саркомеры – являются сократительным аппаратом мышцы. Таким образом, сократительное мышечное волокно, или миом, включает следующие компоненты: 1) сократительный аппарат – систему миофибрилл; 2) трофический

аппарат

с

типичными

для

мышечного

волокна

органеллами – митохондриями (или саркосомами), пластинчатым комплексом Гольджи и слаборазвитой эндоплазматической сетью; 3) специфический мембранный аппарат – соединительнотканная сумка –

саркоплазматическая сеть и трубчал=тый элемент, составляющий Тсистему;

4

4) опорный аппарат – соединительнотканная сумка волокна и поперечные

перегородки – линии или Z-полоски; 5) нервный

аппарат – мионевральные синапсы и чувствительные

(рецепторные) элементы мышцы – тельца Гольджи, мышечные веретена, тела Паччини. Расчленение мышечного волокна на пять структурно-функциональных подразделений условно, поскольку мышечное волокно представляет собой целостную структурно-функциональную единицу мышечной ткани. Иннервация поперечно-полосатых мышечных волокон позвоночных осуществляется нервными волокнами, которые представляют собой аксоны мотонейронов спинного мозга и ствола головного мозга. Один мотонейрон коллатералями своего аксона иннервирует несколько мышечных волокон. Комплекс, включающий один мотонейрон и иннервируемые им мышечные волокна, называют двигательной или нейромоторной единицей (ДЕ или НМЕ). Среднее число мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном, характеризуют среднюю величину ДЕ мышцы, обратная ей величина называется плотностью иннервации. Плотность иннервации велика (а ДЕ мала) в мышцах, приспособленных для «тонких» движений (мышцы пальцев, языка, наружные мышцы глаз). Наоборот, в мышцах осуществляющих «грубые» движения (например, мышцы туловища), плотность иннервации мала (ДЕ велика). Различают одиночный или множественный тип иннервации мышечных волокон. Одиночный тип иннервации осуществляется более или менее компактными моторными окончаниями (синапсами в виде кустика или «подошвы»). Обычно они формируются аксонами крупных мотонейронов. Мышечные волокна, имеющие такую моторную иннервацию, в ответ на нервные импульсы генерируют ПД, распространяющиеся по волокну. Такие мышечные волокна называют фазическими, или быстрыми. Множественный тип иннервации волокон представлен во внешних глазных мышцах, где имеются также и одиночно иннервированные мышечные волокна. Потенциалы действия в них не генерируются из-за отсутствия в их 5

мембране

электровозбудимых

электротоническое

натриевых

распространение

каналов.

деполяризации

В

них из

происходит

синаптических

окончаний по всему волокну, что является необходимым для повсеместного запуска сократительного акта. Сократительный акт здесь более медленный, чем в волокнах с одиночной иннервацией, поэтому такие волокна называют медленными. Структура миофибрилл и её изменения при сокращении. Современные (сократительного) мышечного

представления аппарата

волокна

о

основываются

при

помощи

структуре на

миофибриллярного

исследованиях

электронной

структуры

микроскопии,

рентгеноструктурного анализа в сочетании с гистохимическими методами. Установлено: каждая миофибрилла мышечного волокна диаметром 1 мкм состоит в среднем из 2500 протофибрилл, представляющих собой удлиненные полимеризованные молекулы сократительных белков – миозина и актина, которые называются протофибриллами. Миозиновые протофибриллы, или как их ещё называют, нити, вдвое толще актиновых (их диаметр около 10 нм). В состоянии покоя в мышце нити расположены так, что тонкие актиновые нити входят своими концами в промежутки между короткими и толстыми миозиновыми протофибриллами. Благодаря этому І-диски состоят только из актиновых нитей, а А-диски – из миозиновых и небольшого количества актиновых нитей (в местах захода актиновых нитей в промежутки между миозиновыми). Светлая полоса Н представляет собой узкую зону в диске А, свободную от актиновых нитей. Мембрана Z, проходя через середину диска І, скрепляет между собой эти нити. Миозиновые нити имеют поперечные выступы длиной около 20 нм, с головками примерно 150 молекул миозина. Они отходят от нити биполярно, во время сокращения каждая головка миозина может связывать миозиновую нить с актиновой. Наклоны этих актиновых центров на миозиноых нитях создают объединенное усилие, происходит «гребок», продвигающий актиновую нить к 6

середине саркомера. В конечной фазе сокращения миозиновые нити достигают линии Z, занимая весь саркомер, а актиновые нити располагаются между ними. При этом наблюдается уменьшение длины диска І, а к концу сокращения – исчезновение дисков І и утолщение линии Z. Так объясняет феномен укорочения общей длины мышечного волокна в процессе сокращения теория скользящих нитей (теория «зубчатого колеса»), разработанная Хаксли и Хансон (1954), и дополненная этими же авторами в 1981 году.

5. МЕХАНИЗМ СОКРАЩЕНИЯ МЫШЕЧНОГО ВОЛОКНА.

Основное положение теории скользящих нитей – во время скольжения (сокращения) сами актиновые и миозиновые нити не укорачиваются, так как ширина диска А остается при сокращении постоянной, а І-диски и Н-зоны становятся более узкими или совсем исчезают. Длина протофибрилл не изменяется и при растяжении мышцы. Вместо этого пучки тонких нитей, скользя, выходят из промежутков между толстыми нитями, так что степень их перекрытия уменьшается Каким же образом осуществляется «разнонаправленное скольжение» актиновых нитей в соседних половинах саркомера? Во время сокращения каждая головка миозина, или поперечный мостик, связывает миозиновую протофибриллу с актиновой. Наклоны головок создают объединенное усилие, и происходит скольжение (гребок), продвигающий актиновую нить к середине саркомера. Биполярная организация обеспечивает

молекул

миозина

возможность

в

двух

скольжения

половинах

саркомера

актиновых

нитей

уже в

противоположном направлении в левой и правой половине саркомера. Когда мышца расслабляется, головки миозина отходят от актиновых нитей. Поскольку актиновые и миозиновые нити могут легко скользить относительно друг друга, сопротивление растяжению в расслабленных

7

мышцах оказывается низким, поэтому удлинение мышцы во время расслабления является пассивным.

ЭТАПЫ ГЕНЕРАЦИИ СОКРАЩЕНИЯ.

1. Стимуляция мышечного волокна: возбуждение мышц обычно происходит при

поступлении потенциала действия от иннервирующих мотонейронов через посредство нервно-мышечных синапсов.

2. В результате на мембране мышечного волокна формируется ПД, который

распространяется вглубь мышечного волокна к миофибриллам.

3. Происходит процесс электромеханического сопряжения: он представляет

собой преобразование электрического потенциала действия в механическое «скольжение» протофибрилл по отношению друг к другу. Этот процесс происходит в несколько этапов с обязательным посредством ионов кальция! Механизм, посредством которого Са2+ активирует волокно, легче понять при рассмотрении структуры актиновых нитей. Актиновая нить длиной около 1 мкм и толщиной 5-7 нм состоит из двух закрученных один вокруг другого и напоминающих нитки бус мономеров актина толщиной каждой по 5 нм. Через регулярные промежутки примерно 40 нм на цепях актина находятся сферические молекулы тропонина, а в желобках между цепями актина лежат нити тропомиозина. В отсутствии Са2+, т.е. при расслаблении миофибрилл, длинные молекулы тропомиозина располагаются так, что блокируют прикрепление поперечных

мостиков

миозина

к

актиновым

цепям.

Под

влиянием

активирующего начала ионов Са2+ молекулы тропомиозина глубже опускаются в 8

желобки между мономерами актина, открывая участки прикрепления для поперечных мостиков миозина. В результате мостики миозина прикрепляются к актиновым нитям, АТФ расщепляется и развивается мышечная сила. Эти активационные эффекты обусловлены действием Са2+ на тропонин, причем последний работает как «кальциевый переключатель», а именно: при связывании с Са2+ молекула тропонина деформируется так, что она толкает тропомиозин в желобки между нитями актина. При этом концентрация тонов Са2+ должна достигать пороговой величины 10-6 – 10-5 моль/л. Хранение и высвобождение ионов кальция. В состоянии расслабления мышца содержит более 1 мкмоль Са на 1 г сырого веса. Если бы соли Са не были изолированы в особых внутриклеточных хранилищах, обогащенные кальцием мышечные волокна находились бы в состоянии непрерывного сокращения. Структура внутриклеточных систем хранения кальция следующая: во многих участках

мембрана

мышечной

клетки

углубляется

внутрь

волокна,

перпендикулярно его продольной оси, образуя трубки; эта система поперечных трубочек (Т-система) соединяется с внеклеточной средой. Перпендикулярно Тсистеме, т.е. параллельно миофибриллам, расположена система продольных трубочек (истинный саркоплазматический ретикулум). Пузырьки на концах этих трубочек, терминальные цистерны, находятся очень близко к мембранам поперечной

системы,

образуя

триады.

В

этих

пузырьках

и хранится

внутриклеточный Са2+. В отличие от поперечной системы продольная система не соединяется с окружающей средой. Таким образом, электромеханическое сопряжение происходит посредством распространения потенциала действия по мембранам поперечной системы внутрь клетки. При этом возбуждение быстро проникает во внутрь волокна, переходит к продольной системе и, в конечном счете, вызывает высвобождение ионов Са2+, которые хранятся в терминальных цистернах, во внутриклеточную жидкость около миофибрилл, что ведет к сокращению. РОЛЬ АТФ В МЕХАНИЗМЕ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ 9

В процессе взаимодействия миозиновых и актиновых нитей в присутствии Са2+ важную роль играет АТФ. Энергия АТФ используется во время деятельности скелетной мышцы для трех основных процессов: 1) работы

натрий-калиевого

насоса,

обеспечивающего

поддержание

постоянства градиента концентрации ионов натрия и калия по обе стороны мембраны; 2) процесса скольжения актиновых и миозиновых нитей, ведущего к

укорочению миофибрилл; 3) работы кальциевого насоса, необходимого для расслабления волокна.

В соответствии с этим фермент АТФаза локализован в трех различных структурах мышечного волокна: клеточной мембране, миозиновых нитях, мембранах

саркоплазматического

ретикулума.

АТФ

гидролитически

арсщепляется и, таким образом, энергетически утилизируется с помощью АТФазы – фермента миозина; причем, процесс активируется актином. Рис.

Потребление АТФ при сокращении. Сейчас известно, что головки миозина, которые взаимодействуют с актином, сами содержат каталитические активные центры для расщепления АТФ. АТФаза миозина активируется актином в присутствии ионов Mg2+. Поэтому при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии ионов Mg2+, АТФ расщепляется с освобеждением АДФ и фостата только в случае прикрепления головки миозина к активирующему белку – актину. В каждом цикле прикрепления-отсоединения поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, 1 молекула АТФ на 1 поперечный мостик). Это означает, что чем больше поперечных мостиков находится в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ и сила, развиваемая 10

мышцей. Таким образом, скорость расщепления АТФ (или метаболическая скорость) и сила, развиваемая мышцей, бывают обычно пропорциональны друг другу.

Мышечное

сокращение

происходит

тем

быстрее,

чем

скорее

передвигаются поперечные мостики, т.е. чем больше гребковых движений они делают в единицу времени. В результате быстрые мышцы потребляют больше АТФ (или энергии) в единицу времени, чем медленные мышцы, и сохраняют меньше энергии во время тонического удержания нагрузки. Поэтому для «изометрической

работы»

организм

использует

преимущественно

медленные (тонические) «красные» мышцы, тогда как бедные миоглобином «белые» мышцы служат для быстрых движений. Механизм действия АТФ. Молекула АТФ с поперечным мостиком после завершения его «гребкового» движения, и это обеспечивает энергию для разделения компонентов, участвующих в реакции – актина и миозина. После этого головки миозина отсоединяются от актина; затем АТФ расщепляется до АДФ и фосфата с промежуточным образованием комплекса фермент-продукт. Расщепление является обязательным условием для следующего прикрепления поперечного мостика к актину с освобождением АДФ и фосфата и «гребковым» движением мостика. Когда движение мостика завершается, с ним связывается новая молекула АТФ, и начинается новый цикл. Циклическая

активность

поперечных

мостиков,

т.е.

ритмическое

прикрепление и отсоединение мостиков, которое обеспечивает мышечное сокращение, возможна только до тех пор, пока продолжается гидролиз АТФ, т.е. пока происходит активация АТФазы. Если расщепление АТФ заблокировать, мостики не могут повторно прикрепляться, мышца расслабляется. После смерти содержание АТФ в мышечных клетках снижается, когда оно переходит критический уровень, поперечные мостики оказываются устойчиво прикрепленными к актиновой нити (пока не произойдет аутолиз). В таком состоянии актиновые и миозиновые нити прочно связаны друг с другом, мышца находится в состоянии трупного окоченения. Ресинтез АТФ осуществляется двумя основными путями: 11

1) ферментативный перенос фосфатной группы от креатинфосфата на

АДФ. Ресинтез обеспечивается по этому пути в течение тысячных долей секунды, т.к. запасы КФ значительно больше в клетке, чем АТФ; 2) гликолитические и окислительные процессы в покоящейся и деятельной

мышце

–

медленный

ресинтез

АТФ

через

окисление

молочной

и

пировиноградной кислот. Нарушение ресинтеза АТФ ядами ведет к полному исчезновению АТФ и креатинфосфата, вследствие чего кальциевый насос перестает работать. Концентрация Са2+ в области миофибрилл значительно возрастает и мышца приходит в состояние длительного необратимого укорочения. Это состояние называется контрактурой.

12