АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Мышечное сокращение

Сокращение мышцы происходит при поступлении по аксонам двигательных нейронов к нервно-мышечным синапсам волны возбуждения в виде нервных импульсов (ПД нервных волокон). Это непрямое сокращение (опосредованное нервно-мышечной синаптической передачей). Возможно и прямое сокращение мышцы. Под ним понимают сокращение групп МВ (мышечные подёргивания, фибрилляции), происходящее при возбуждении любого звена последовательности событий после секреции нейромедиатора из терминалей аксона в нервно-мышечном синапсе. Последовательность этих событий такова: (1) деполяризация постсинаптической мембраны и генерация ПД ® (2) распространение ПД по плазмолемме МВ ® (3) передача сигнала в триадах на саркоплазматический ретикулум ® (4) выброс Ca²⁺ из саркоплазматического ретикулума ® (5) связывание Ca²⁺ тропонином С тонких нитей ® (6) взаимодействие тонких и толстых нитей (формирование мостиков), появление тянущего усилия и скольжение нитей относительно друг друга ® (7) Цикл взаимодействия нитей ® (8) укорочение саркомеров и сокращение МВ ® (9) расслабление. Позиции 1–4 рассмотрены выше (см. рис. 7–4 и 7–5 в книге и сопровождающий их текст), а этапы 2–4 представлены на рис. 7–10.

Рис. 7–10. Распространение потенциала действия по сарколемме мышечного волокна и выброс ионов кальция из цистерн саркоплазматического ретикулума

1. Деполяризация постсинаптической мембраны и генерация ПД рассмотрены выше и в главе 6.

2. Плазмолемма и потенциал действия. Локальная деполяризация постсинаптической мембраны приводит к генерации потенциала действия, быстро распространяющегося по всей плазмолемме мышечного волокна (включая Т-трубочки).

à Электромиография — важный диагностический метод — позволяет регистрировать характеристики потенциалов действия.

à Миотония. Уменьшение Cl^—-проводимости плазмолеммы ведёт к электрической нестабильности мембраны МВ и к развитию миотонии (например, болезни Томсена).

3. Триады и передача сигнала на саркоплазматическую сеть. Волна деполяризации по Т-трубочкам проникает до триад. В области триад мембрана Т–трубочек в составе потенциалозависимого кальциевого канала содержит рецепторы дигидропиридина. Деполяризация мембраны Т–трубочек вызывает в структуре рецепторов дигидропиридина конформационные изменения, передающиеся на рецепторы рианодина терминальных цистерн саркоплазматического ретикулума.

Злокачественная гипертермия при наркозе (особенно при использовании тиопентала и галотана) — редкое осложнение (смертность до 70%) при хирургическом вмешательстве. Температура тела быстро поднимается до 43 °С и выше, происходит генерализованный распад мышц (рабдомиолиз). В части случаев найдена мутация гена рианодинового рецептора скелетномышечного типа.

4. Саркоплазматический ретикулум и выброс Ca²⁺. Активация рецепторов рианодина (Ca²⁺‑канал) приводит к открытию Ca²⁺‑каналов, Ca²⁺ из кальциевых депо поступает в саркоплазму; концентрация Ca²⁺ в саркоплазме достигает значений, достаточных для связывания этого двухвалентного катиона с тропонином С тонких нитей.

5. Связывание Ca²⁺ тонкими нитями. В покое взаимодействие тонких и толстых нитей невозможно, т.к. миозин-связывающие участки F‑актина заблокированы тропомиозином. При высокой концентрации Ca²⁺ эти ионы связываются с тропонином C и вызывают конформационные изменения тропомиозина, приводящие к разблокированию миозин-связывающих участков (рис. 7–11).

Рис. 7–11. Ca²⁺–зависимый механизм регуляции взаимодействия актина с миозином [11]. В покое миозин-связывающие участки тонкой нити заняты тропомиозином. При сокращении ионы Ca²⁺ связываются с тропонином С, а тропомиозин открывает миозин-связывающие участки. Головки миозина присоединяются к тонкой нити и вызывают её смещение относительно толстой нити.

6. Взаимодействие тонких и толстых нитей. В результате разблокирования миозин-связывающих участков молекул актина головки миозина, несущие продукты гидролиза АТФ (АДФ + Ф_н), присоединяются к тонкой нити и изменяют свою конформацию, создавая тянущее усилие: — тонкие нити начинают скользить между толстыми (рис. 7–12). За счёт шарнирного участка в области шейки миозина происходит гребковое движение, продвигающее тонкую нить к центру сaркомера. В результате происходит скольжение тонких нитей относительно толстых. Затем головка миозина связывается с молекулой АТФ, что приводит к отделению миозина от актина. Последующий гидролиз АТФ восстанавливает конформированную молекулу миозина, готовую вступить в новый цикл. Такая модель скользящих нитей была предложена Хью Хаксли.

Рис. 7–12. Взаимодействие головки миозина с тонкой нитью и появление тянущего усилия

7. Рабочий цикл. Каждый цикл взаимодействия тонких и толстых нитей имеет несколько стадий (рис. 7–13).

Рис. 7–13. Цикл взаимодействия тонких и толстых нитей [5]. (А) Исходное положение: головка миозина выстоит над толстой нитью (не показана). (Б) Благодаря наличию шарнира между тяжёлым и лёгким меромиозинами, несущая АДФ и P_i головка миозина прикрепляется к актину, происходит поворот головки миозина с одновременным растягиванием эластического компонента S₂. (В). Из головки освобождаются АДФ и Ф_н, а последующая ретракция эластического компонента S₂ вызывает тянущее усилие. Затем к головке миозина присоединяется новая молекула АТФ, что приводит к отделению головки миозина от молекулы актина (Г). Гидролиз АТФ возвращает молекулу миозина в исходное положение (А).

8. Укорочение саркомера и сокращение мышечного волокна. Головка миозина совершает около пяти циклов в секунду. Когда одни головки миозина толстой нити производят тянущее усилие, другие в это время свободны и готовы вступить в очередной цикл. Следующие друг за другом гребковые движения подтягивают тонкие нити к центру сaркомера. Скользящие тонкие нити тянут за собой Z-линии, вызывая сокращение сaркомера. Поскольку в процесс сокращения практически одномоментно вовлечены все саркомеры МВ, происходит его укорочение.

Влияние длины саркомера на напряжение мышцы (рис. 7–14). Сопоставление различных длин саркомера показывает, что наибольшее напряжение развивается мышцей при длине саркомера от 2 до 2,2 мкм. Саркомеры такой длины наблюдаются в мышцах, растянутых собственным весом или при небольшой средней нагрузке. В саркомерах размером от 2 до 2,2 мкм филаменты актина полностью перекрывают филаменты миозина. Уменьшение размеров саркомера до 1,65 мкм приводит к снижению напряжения в результате перекрытия филаментами актина друг друга и, следовательно, уменьшения возможности контакта с поперечными мостиками. Большие нагрузки, растягивающие саркомер свыше 2,2 мкм, приводят к падению напряжения, так как в этом случае актиновые филаменты не имеют контакта с поперечными мостиками. Таким образом, мышца развивает максимальное напряжение в условиях полного перекрытия актиновыми филаментами поперечных мостиков миозина.

Рис. 7–14. Саркомер расслабленного (А) и сокращённого (Б) мышечного волокна [11]. При сокращении тонкие нити движутся к центру саркомера, их свободные концы сходятся у М-линии. Вследствие этого уменьшается длина I–дисков и Н-зоны. Длина А–диска не изменяется.

9. Расслабление. Ca²⁺‑АТФаза сaркоплазматического ретикулума закачивает Ca²⁺ из сaркоплазмы в цистерны ретикулума, где Ca²⁺ связывается с кальсеквестрином. В условиях понижения концентрации Ca²⁺ в саркоплазме тропомиозин закрывает миозин-связывающие участки и препятствует их взаимодействию с миозином. После смерти, когда содержание АТФ в мышечных волокнах снижается вследствие прекращения её синтеза, головки миозина оказываются устойчиво прикреплёнными к тонкой нити. Это состояние трупного окоченения (rigor mortis) продолжается, пока не наступит аутолиз, после чего мышцы можно растянуть.

Ca²⁺‑насос — основа активного процесса расслабления. Ионы кальция, высвобожденные из саркоплазматического ретикулума и диффундировавшие к миофибриллам, вызывают сокращение, которое будет продолжаться столь долго, сколь долго высокая концентрация ионов Ca²⁺ будет сохраняться в саркоплазме. Этому препятствует постоянная активность Ca²⁺ насоса, расположенного в стенках саркоплазматического ретикулума и откачивающего с затратой энергии ионы Ca²⁺ обратно в просвет саркоплазматического ретикулума. Ca²⁺ насос повышает концентрацию Ca²⁺ внутри трубочек в 10 000 раз. Дополнительно работе насоса способствует специальный белок кальсеквестрин, связывающий в 40 раз больше ионов Ca²⁺, чем их находится в ионизированном состоянии. Таким образом, обеспечивается 40-кратное увеличение запасов кальция. Массивное перемещение ионов Ca²⁺ внутрь саркоплазматического ретикулума уменьшает концентрацию Ca²⁺ в саркоплазме до величины 10^-7 М и менее. Поэтому, за исключением периода ПД и немедленно сразу после его окончания, концентрация ионов Ca^2+- в саркоплазме поддерживается на исключительно низком уровне, и мышца остаётся расслабленной.

Таким образом, при сокращении МВ практически одновременно регистрируются следующие важные характеристики: генерация ПД, выброс ионов кальция в саркоплазму и собственно сокращение (рис. 7–15)

Рис. 7–15. Сокращение мышечного волокна [5]. Последовательное возникновение ПД, пика содержания Ca²⁺ в саркоплазме и развиваемого напряжения при одиночном мышечном сокращении.

Энергетические потребности.

Мышечное сокращение требует значительных энергетических затрат. Основной источник энергии — гидролиз макроэрга АТФ. В митохондриях в процессе цикла трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования генерируется АТФ. Гликоген запасaется в сaркоплазме в виде включений. Анаэробный гликолиз сопряжён с синтезом АТФ. Креатинфосфокиназа, связанная в области М-линии, катализирует перенос фосфата от фосфокреатина на АДФ с образованием креатина и АТФ. Миоглобин, как и Hb, обратимо связывает кислород. Запасы кислорода необходимы для синтеза АТФ при длительной непрерывной работе мышцы. На один рабочий цикл затрачивается 1 молекула АТФ. В МВ концентрация АТФ равна 4 ммоль/л. Такого запаса энергии достаточно для поддержания сокращения не более 1–2 сек.

· Затраты АТФ. Энергия АТФ расходуется на:

Ú образование поперечных мостиков, осуществляющих продольное скольжение актиновых филаментов (основная часть энергии гидролиза АТФ);

Ú Ca²⁺-насос: выкачивание Ca²⁺ из саркоплазмы в саркоплазматический ретикулум после окончания сокращения;

Ú Na⁺/K⁺-насос: перемещение ионов натрия и калия через мембрану МВ для обеспечения соответствующего ионного состава вне- и внутриклеточной среды.

· Восстановление АТФ. Рефосфорилирование АТФ обеспечивается из нескольких источников.

à Креатинфосфат. Первым источником для восстановления АТФ является использование креатинфосфата — вещества, имеющего высокоэнергетические фосфатные связи, подобные связям АТФ. Однако количество креатинфосфата в МВ невелико, всего на 1/5 больше, чем АТФ. Общих запасов энергии АТФ и креатинфосфата в МВ достаточно для развития максимального мышечного сокращения лишь в течение 5–8 сек.

à Гликоген. Вторым источником энергии, который используется в ходе восстановления АТФ и креатинфосфата, является гликоген, запасы которого имеются в МВ. Расщепление гликогена до пировиноградной и молочной кислот сопровождается выделением энергии, которая идёт на превращение АДФ в АТФ. Вновь синтезированный АТФ может использоваться или непосредственно для мышечного сокращения, или в процессе восстановления запасов креатинфосфата. Гликолитический процесс важен в двух аспектах:

Ú гликолитические реакции могут происходить в отсутствие кислорода, и мышца может сокращаться десятки секунд без снабжения кислородом;

Ú скорость образования АТФ в ходе гликолиза в два с лишним раза выше, чем скорость образования АТФ из клеточных продуктов в процессе взаимодействия с кислородом. Однако большое количество промежуточных продуктов гликолитического обмена, накапливаемых в МВ, не позволяет гликолизу поддерживать максимальное сокращение более одной минуты.

à Окислительный метаболизм. Третьим источником энергии является окислительный метаболизм. Более 95% энергии, используемой мышцей в ходе продолжительных, напряжённых сокращений, поступает именно из этого источника. В процессе длительной напряжённой мышечной работы, продолжающейся много часов, большая часть энергии берётся из жиров. Для периода работы от 2 до 4 час более половины энергии поступает за счёт запасов гликогена.

Дата добавления: 2015-05-19 | Просмотры: 2307 | Нарушение авторских прав