Файл: 1) исчерченные (поперечнополосатые) мышцы 2) сердечная мышца 3) неисчерченные (гладкие) мышцы.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.12.2023
Просмотров: 53
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
пространственной суммации сокращений моторных единиц). Чем больше степень синхронизации мотонейронов, тем больше амплитуда при суперпозиции максимального сокращения, развиваемого каждой двигательной единицы в отдельности;
2) увеличение частоты импульсов, генерируемых каждым мотонейроном (явление й суммациивременно сокращений каждого волокна данной моторной единицы).
Ультраструктурная организация мышечного волокна
Чтобы понять механизм мышечного сокращения необходимо знать структурную организацию мышечного волокна.
Мышечное волокно имеет длину до 3 см и диаметр от 10 до 100 мкм. В его миоплазме находится до 1000 миофибрилл (диаметр каждой от 1 до 3 мкм), являющихся специализированным сократительным аппаратом. На периферии волокна много ядер, есть митохондрии, хорошо развит СПР, который имеет систему продольных трубочек. Также имеется система Т-трубочек (transversum, лат. – поперечный), представляющая инвагинации (invaginatio, лат. – внедрение, впячивание) плазматической мембраны мышечного волокна, располагающиеся в области Z-мембраны саркомера. Т-трубочки контактируют с концевыми расширениями (цистернами) L-трубочек. Обычно одна Т-трубочка имеет по бокам две цистерны – это называется триада.
При световой микроскопии мышечного волокна видна его поперечная исчерченность, т.е. чередование тёмных и светлых участков. При электронной микроскопии оказалось, что исчерченность волокна в поперечном направлении обусловлена особой организацией миофиламентов в миофибриллах. В каждой миофибрилле содержится примерно 2500 миофиламентов – актиновых и миозиновых. Миофиламент (протофибрилла (protos, гр. – первый, первоначальный, первичный)) – это полимеризованные, удлинённые молекулы белков.
Актиновый миофиламент представляет собой 400 молекул сократительного белка актина в виде тонких двойных нитей, закрученных в двойную спираль с шагом 36,5 нм. Длина актинового миофиламента составляет примерно 1 мкм, а диаметр – 5 нм. В нём имеются активные центры, располагающиеся друг от друга на расстоянии 20 нм. Молекулярная масса белка актина 42000 дальтон. В бороздках актиновых миофиламентов располагаются молекулы регуляторных белков (эти белки не участвуют прямо в сокращении, но регулируют его) – это
тропомиозин и тропонин.
Тропомиозин имеет нитевидную форму и к нему прикрепляется тропонин, имеющий глобулярную форму. Тропонин имеет три субъединицы:
1) TN-C – это кальцийсвязывающая субъединица;
2) TN-I – это ингибирующая субъединица, она после связывания TN-C с кальцием изменяет свою конформацию и тропомиозин идёт вглубь (в желобок) спирали, открывая при этом активные центры актинового миофиламента;
3) TN-T – это субъединица, связывающая тропонин с тропомиозином.
Миозиновый миофиламент имеет длину примерно 1,6 мкм и диаметр – 10 нм и состоит примерно из 300 молекул белка миозина (молекулярная масса 500000 дальтон). Молекула миозина удлинённая, парная, имеет сдвоенную головку, шейку и хвост. Миозин состоит из двух тяжёлых полипептидных цепей и четырёх лёгких. После обработки миозина трипсином молекула разделяется на быстро седиментирующийся (оседающий) тяжёлый меромиозин (ТММ) и медленно седиментирующийся лёгкий меромиозин (ЛММ). ТММ образует головку и шейку, ЛММ – хвост. ТММ состоит из двух субфрагментов: глобулярного S1, соответствующего головке, и стержневого S2, соответствующего шейке. S1-субфрагмент обладает АТФ-азной активностью и в нём же локализованы центры связывания миозинового филамента с актиновым филаментом и АТФ. Шейка миозина (гибкий участок) представляет собой шарнирное соединение и головка может поворачиваться на шейке вокруг своей оси. Молекулы миозина соединяются между собой хвостами. На боковых сторонах миозинового филамента имеются выступы, которые называются поперечными мостиками, они ориентированы к оси миозиновой нити под углом 120о. Поперечный мостик состоит из головки и шейки миозиновой молекулы.
При поляризационной микроскопии мышечного волокна полоски тёмного цвета (вследствие двойного лучепреломления) составляют анизотропный диск А. Он состоит из миозиновых и актиновых филаментов, в его центре имеется светлая полоска Н – это зона, в которой нет актиновых филаментов. В центре Н-полоски имеется М-линия – структура, удерживающая миозиновые филаменты. По обе стороны от диска А видны светлые полоски – это изотропные диски I, обладающие одиночным лучепреломлением поляризованного света. Они образованы только нитями актина. Посередине диска I имеется сетевидная структура, выполняющая опорную функцию – это Z-пластинка. Расстояние от одной Z-пластинки до другой составляет 2,5 мкм и называется саркомером.
Саркомер – это функциональная единица сократительного аппарата мышечного волокна. Саркомеры в миофибрилле расположены последовательно и их сокращение вызывает сокращение миофибриллы и общее укорочение мышечного волокна. В покое актиновые и миозиновые филаменты незначительно перекрывают друг друга.
На поперечном разрезе миофибриллы видна строго упорядоченная гексогональная организация филаментов: миозиновый филамент окружён шестью актиновыми филаментами.
С помощью микроэлектронной техники и интерференционной микроскопии установили, что раздражение плазматической мембраны в области Z-пластинки вызывает сокращение саркомера, при этом длина диска А не меняется, а полоски Н и диск I уменьшаются в размерах. Это говорит о том, что длина актиновых и миозиновых филаментов не меняется, а изменяется область их взаимного перекрытия. На основе этих экспериментальных данных H.Huxley и J.Hanson (1954) выдвинули для объяснения механизма сокращения скелетных мышц теорию скольжения актиновых филаментов относительно миозиновых.
Механизм сокращения скелетных мышц
Связь между электрическими процессами на плазматической мембране мышечного волокна и сокращением мышцы называется электромеханическим сопряжением и включает в себя процессы электрохимического и хемомеханического преобразования, которые идут последовательно:
Электрохимическое преобразование:
1) процесс генерации потенциала действия;
2) распространение потенциала действия вглубь миофибриллы по Т-системе;
3) электрическая стимуляция места контакта мембраны Т-трубочек и цистерн СПР, активация ферментов и повышение концентрации кальция в миоплазме.
Хемомеханическое преобразование:
4) взаимодействие кальция с тропонином и деэкранирование активных центров на актиновых миофиламентах;
5) взаимодействие миозиновых головок с актином, вращение головок и развитие тянущего усилия;
6) скольжение актиновых филаментов относительно миозиновых, уменьшение длины саркомеров и укорочение мышечного волокна (или его напряжение).
Рассмотрим эти процессы в их последовательности.
Потенциал действия с мотонейрона передних рогов спинного мозга по эфферентным нервным волокнам передаётся на плазматическую мембрану мышечного волокна, где терминали этих волокон образуют нервно-мышечные синапсы (концевые пластинки), в которых выделяется медиатор ацетилхолин. В течение длительного времени считалось, что из окончаний каждого нейрона всегда выделяется только один медиатор (принцип Дейла). Однако сейчас доказано, что один и тот же нейрон может выделять два и, возможно, больше медиаторов (сомедиаторов). Так, в концевой пластинке вместе с ацетилхолином выделяется АТФ. Особенности такого совместного действия ацетилхолина и АТФ пока не изучены, но, вероятно, эффект АТФ сводится к определённому типу модуляции передачи возбуждения в синапсе. Ацетилхолин связывается с Н-холинорецептором на постсинаптической мембране, что приводит к возникновению потенциала концевой пластинки (ПКП). ПКП играет роль раздражающего стимула для плазматической мембраны мышечного волокна, на которой возникает потенциал действия, распространяющийся по ней в обе стороны.
Далее ПД распространяется по мембране Т-трубочек (мембрана имеет потенциалзависимые натриевые каналы) внутрь мышечного волокна и активирует дигидропиридиновые рецепторы, структурированные в ней. В результате активации рецепторы меняют свою конформационную структуру и активируют рианодинчувствительные кальциевые каналы мембран цистерн L-трубочек СПР. В цистернах ионы Са
++ связаны с кальсеквестрином (связывает 45 молекул Са++) и «белком с высоким сродством к кальцию» (связывает 25 молекул Са++). Каналы открываются и кальций по градиенту концентрации диффундирует из цистерн в миоплазму, его концентрация повышается с 10-7 М до 10-5 М. На этом заканчивается электрохимическое преобразование и начинается хемомеханическое.
Ионы кальция связываются с TN-C, который имеет ионизированную карбоксильную группу, легко присоединяющую Са++. При этом изменяется конформация TN-C, что приводит к изменению конформации TN-I, в результате чего освобождается место для смещения тропомиозина вглубь образовавшегося желобка между актиновыми миофиламентами. При этом открываются активные (миозинсвязывающие) участки актиновой нити.
Головка миозина в покое представляет собой комплекс «миозин + АДФ + фосфат». Активные центры актина обладают большим сродством к этому комплексу, в результате чего происходит присоединение головки миозина к активным центрам актинового филамента. Присоединение актина вызывает быстрое освобождение АДФ и фосфата из миозина, что приводит к изменению конформации головки. При этом головка поворачивается на 45о вокруг своей оси (рабочий ход). Так как головка имеет несколько центров связывания, то они последовательно взаимодействуют с активными участками на актиновом филаменте и при этом развивается тянущее усилие. После поворота головки к ней вместо ушедших АДФ и фосфата присоединяется АТФ, образуя комплекс «миозин + АТФ». Актин обладает к этому комплексу малым сродством, в результате чего происходит отсоединение головки миозина (разрыв поперечных мостиков). Головка становится перпендикулярно к актиновому филаменту. В головке миозина, уже не связанной с актином, происходит гидролиз АТФ, вновь образуется комплекс «миозин + АДФ + фосфат» и головка вновь способна присоединяться к актиновому филаменту.
В каждый конкретный момент развития сокращения часть головок миозинового филамента соединена с активными центрами актинового филамента, а другая часть свободна, что позволяет последовательно осуществлять скольжение актиновых нитей вдоль миозиновых, уменьшение длины саркомеров и укорочение мышцы в целом (или развитие напряжения мышцы).
В настоящее время появились некоторые факты, которые не вписываются в классическую теорию скольжения:
1) миозиновый филамент при сокращении меняет свою длину и диаметр (утолщается и укорачивается);
2) при сокращении укорачивается не только диск I, но и диск А;
3) между актиновыми и миозиновыми филаментами расстояние – 13 нм, а длина головки миозина – 19-21 нм;
4) сокращение мышцы ступенчатое, а не плавное, как при скольжении.
Эти и другие факты позволили Н.С.Мирошниченко и М.Ф.Шуба (1990) высказать гипотезу, что скольжение актиновых филаментов вдоль миозиновых невозможно из-за структурных препятствий и специфического характера действия сил на сократительный аппарат мышцы. Авторы считают, что в основе сокращения лежит вкручивание миозиновых филаментов в трубкообразные структуры, образованные актиновыми филаментами, а само сокращение обеспечивается междоменными перемещениями в работающих по очереди головках миозина. Указанная
гипотеза вкручивания в настоящее время находит всё большее и большее признание у специалистов по «молекулярной механике» и может стать новой современной теорией сокращения скелетных мышц в будущем.
Энергетика мышечного сокращения
Энергия для сокращения мышц образуется при гидролизе АТФ под влиянием фермента АТФ-азы. Свойства этого фермента появляются у головки миозина (тяжёлых цепей), когда она присоединяется к активным центрам актина. В расслабленном состоянии ни миозин, ни актин не обладают АТФ-азной активностью. При расщеплении АТФ меняется конформация АТФ-азного центра головки миозина и головка переходит в новое высокоэнергетическое состояние. Она поворачивается и присоединяется к активному центру актинового филамента. Повторное присоединение головки миозина к актину сопровождается новым поворотом головки. При каждом цикле соединения и разъединения головки миозина с актином гидролизуется одна молекула АТФ на один поперечный мостик. При этом концентрация кальция в миоплазме должна быть не менее 10-5 М.
Одна молекула АТФ при расщеплении до АДФ и Н3РО4 выделяет 10000 ккал (48 кДж) энергии. Распад АТФ, т.е. снижение отношения АТФ к АДФ, запускает ресинтез АТФ (принцип Энгельгарта). Ресинтез АТФ осуществляется анаэробными и аэробными путями. Для этого в мышцах имеется три энергетических системы, которые включаются последовательно по мере расходования АТФ:
1) анаэробная фосфагенная система (АТФ-КФ система);
2) гликолитическая система;
3) окислительная система.
Эти системы отличаются друг от друга по энергетической ёмкости, т.е. по максимальному образованию энергии в единицу времени. Как только АТФ гидролизовалась до АДФ, мгновенно (через несколько миллисекунд) включается фосфагенная система и происходит срочный анаэробный ресинтез АТФ из креатинфосфата (КФ), т.к. КФ значительно больше, чем АТФ (креатинкиназная реакция):
АДФ + КФ → АТФ + К
Если истощаются запасы КФ, то АТФ образуется из двух молекул АДФ (миокиназная реакция):
2АДФ → АТФ + АМФ
АМФ подвергается дезаминированию:
АМФ → ИМФ + NH3.
Одновременно идёт ресинтез КФ в митохондриях.
Ёмкость фосфагенной системы мала. При её максимальной работе АТФ хватает на 5-6 секунд работы. Если сокращение мышц продолжается, то последовательно развёртываются гликолитическая и окислительная системы.
Работу гликолитической системы запускает АДФ. Анаэробно начинают расщепляться глюкоза и гликоген до лактата. При этом одна молекула глюкозы даёт энергию для синтеза двух молекул АТФ. Эта АТФ расходуется на работу мембранных насосов. Образование АТФ анаэробным путём происходит в 2-3 раза быстрее, чем аэробным. Ёмкость гликолитической системы в 25 раз больше, чем фосфагенной, но намного меньше, чем окислительной. Поэтому сокращение мышц при анаэробном гликолизе может быть интенсивным, но будет продолжаться 1-2 минуты, а затем с накоплением молочной кислоты наступает утомление.
При продолжающемся сокращении мышц через 2-3 минуты развёртывается окислительная система и ресинтез АТФ будет осуществляться в основном за счёт окислительного фосфорилирования. При этом одна молекула глюкозы даёт 36 молекул АТФ. Ёмкость окислительной системы в тысячи раз превышает ёмкость фосфагенной и гликолитической систем. Поэтому при хорошем кровоснабжении и достаточном поступлении кислорода мышцы работают несколько часов без утомления.
Если сокращение мышц длительное, но малоинтенсивное, а потребность мышц в кислороде при этом удовлетворяется полностью, то АТФ ресинтезируется системой окислительного фосфорилирования за счёт окисления жиров. Такая ситуация наблюдается у спортсменов-стайеров (бег на марафонские дистанции).
При интенсивном сокращении мышц (выполнение большой работы за короткое время) энергия для сокращения мышц выделяется за счёт окисления углеводов гликолитической системой. Такая ситуация наблюдается во время бега на короткие дистанции у спортсменов-спринтеров.
2) увеличение частоты импульсов, генерируемых каждым мотонейроном (явление й суммациивременно сокращений каждого волокна данной моторной единицы).
Ультраструктурная организация мышечного волокна
Чтобы понять механизм мышечного сокращения необходимо знать структурную организацию мышечного волокна.
Мышечное волокно имеет длину до 3 см и диаметр от 10 до 100 мкм. В его миоплазме находится до 1000 миофибрилл (диаметр каждой от 1 до 3 мкм), являющихся специализированным сократительным аппаратом. На периферии волокна много ядер, есть митохондрии, хорошо развит СПР, который имеет систему продольных трубочек. Также имеется система Т-трубочек (transversum, лат. – поперечный), представляющая инвагинации (invaginatio, лат. – внедрение, впячивание) плазматической мембраны мышечного волокна, располагающиеся в области Z-мембраны саркомера. Т-трубочки контактируют с концевыми расширениями (цистернами) L-трубочек. Обычно одна Т-трубочка имеет по бокам две цистерны – это называется триада.
При световой микроскопии мышечного волокна видна его поперечная исчерченность, т.е. чередование тёмных и светлых участков. При электронной микроскопии оказалось, что исчерченность волокна в поперечном направлении обусловлена особой организацией миофиламентов в миофибриллах. В каждой миофибрилле содержится примерно 2500 миофиламентов – актиновых и миозиновых. Миофиламент (протофибрилла (protos, гр. – первый, первоначальный, первичный)) – это полимеризованные, удлинённые молекулы белков.
Актиновый миофиламент представляет собой 400 молекул сократительного белка актина в виде тонких двойных нитей, закрученных в двойную спираль с шагом 36,5 нм. Длина актинового миофиламента составляет примерно 1 мкм, а диаметр – 5 нм. В нём имеются активные центры, располагающиеся друг от друга на расстоянии 20 нм. Молекулярная масса белка актина 42000 дальтон. В бороздках актиновых миофиламентов располагаются молекулы регуляторных белков (эти белки не участвуют прямо в сокращении, но регулируют его) – это
тропомиозин и тропонин.
Тропомиозин имеет нитевидную форму и к нему прикрепляется тропонин, имеющий глобулярную форму. Тропонин имеет три субъединицы:
1) TN-C – это кальцийсвязывающая субъединица;
2) TN-I – это ингибирующая субъединица, она после связывания TN-C с кальцием изменяет свою конформацию и тропомиозин идёт вглубь (в желобок) спирали, открывая при этом активные центры актинового миофиламента;
3) TN-T – это субъединица, связывающая тропонин с тропомиозином.
Миозиновый миофиламент имеет длину примерно 1,6 мкм и диаметр – 10 нм и состоит примерно из 300 молекул белка миозина (молекулярная масса 500000 дальтон). Молекула миозина удлинённая, парная, имеет сдвоенную головку, шейку и хвост. Миозин состоит из двух тяжёлых полипептидных цепей и четырёх лёгких. После обработки миозина трипсином молекула разделяется на быстро седиментирующийся (оседающий) тяжёлый меромиозин (ТММ) и медленно седиментирующийся лёгкий меромиозин (ЛММ). ТММ образует головку и шейку, ЛММ – хвост. ТММ состоит из двух субфрагментов: глобулярного S1, соответствующего головке, и стержневого S2, соответствующего шейке. S1-субфрагмент обладает АТФ-азной активностью и в нём же локализованы центры связывания миозинового филамента с актиновым филаментом и АТФ. Шейка миозина (гибкий участок) представляет собой шарнирное соединение и головка может поворачиваться на шейке вокруг своей оси. Молекулы миозина соединяются между собой хвостами. На боковых сторонах миозинового филамента имеются выступы, которые называются поперечными мостиками, они ориентированы к оси миозиновой нити под углом 120о. Поперечный мостик состоит из головки и шейки миозиновой молекулы.
При поляризационной микроскопии мышечного волокна полоски тёмного цвета (вследствие двойного лучепреломления) составляют анизотропный диск А. Он состоит из миозиновых и актиновых филаментов, в его центре имеется светлая полоска Н – это зона, в которой нет актиновых филаментов. В центре Н-полоски имеется М-линия – структура, удерживающая миозиновые филаменты. По обе стороны от диска А видны светлые полоски – это изотропные диски I, обладающие одиночным лучепреломлением поляризованного света. Они образованы только нитями актина. Посередине диска I имеется сетевидная структура, выполняющая опорную функцию – это Z-пластинка. Расстояние от одной Z-пластинки до другой составляет 2,5 мкм и называется саркомером.
Саркомер – это функциональная единица сократительного аппарата мышечного волокна. Саркомеры в миофибрилле расположены последовательно и их сокращение вызывает сокращение миофибриллы и общее укорочение мышечного волокна. В покое актиновые и миозиновые филаменты незначительно перекрывают друг друга.
На поперечном разрезе миофибриллы видна строго упорядоченная гексогональная организация филаментов: миозиновый филамент окружён шестью актиновыми филаментами.
С помощью микроэлектронной техники и интерференционной микроскопии установили, что раздражение плазматической мембраны в области Z-пластинки вызывает сокращение саркомера, при этом длина диска А не меняется, а полоски Н и диск I уменьшаются в размерах. Это говорит о том, что длина актиновых и миозиновых филаментов не меняется, а изменяется область их взаимного перекрытия. На основе этих экспериментальных данных H.Huxley и J.Hanson (1954) выдвинули для объяснения механизма сокращения скелетных мышц теорию скольжения актиновых филаментов относительно миозиновых.
Механизм сокращения скелетных мышц
Связь между электрическими процессами на плазматической мембране мышечного волокна и сокращением мышцы называется электромеханическим сопряжением и включает в себя процессы электрохимического и хемомеханического преобразования, которые идут последовательно:
Электрохимическое преобразование:
1) процесс генерации потенциала действия;
2) распространение потенциала действия вглубь миофибриллы по Т-системе;
3) электрическая стимуляция места контакта мембраны Т-трубочек и цистерн СПР, активация ферментов и повышение концентрации кальция в миоплазме.
Хемомеханическое преобразование:
4) взаимодействие кальция с тропонином и деэкранирование активных центров на актиновых миофиламентах;
5) взаимодействие миозиновых головок с актином, вращение головок и развитие тянущего усилия;
6) скольжение актиновых филаментов относительно миозиновых, уменьшение длины саркомеров и укорочение мышечного волокна (или его напряжение).
Рассмотрим эти процессы в их последовательности.
Потенциал действия с мотонейрона передних рогов спинного мозга по эфферентным нервным волокнам передаётся на плазматическую мембрану мышечного волокна, где терминали этих волокон образуют нервно-мышечные синапсы (концевые пластинки), в которых выделяется медиатор ацетилхолин. В течение длительного времени считалось, что из окончаний каждого нейрона всегда выделяется только один медиатор (принцип Дейла). Однако сейчас доказано, что один и тот же нейрон может выделять два и, возможно, больше медиаторов (сомедиаторов). Так, в концевой пластинке вместе с ацетилхолином выделяется АТФ. Особенности такого совместного действия ацетилхолина и АТФ пока не изучены, но, вероятно, эффект АТФ сводится к определённому типу модуляции передачи возбуждения в синапсе. Ацетилхолин связывается с Н-холинорецептором на постсинаптической мембране, что приводит к возникновению потенциала концевой пластинки (ПКП). ПКП играет роль раздражающего стимула для плазматической мембраны мышечного волокна, на которой возникает потенциал действия, распространяющийся по ней в обе стороны.
Далее ПД распространяется по мембране Т-трубочек (мембрана имеет потенциалзависимые натриевые каналы) внутрь мышечного волокна и активирует дигидропиридиновые рецепторы, структурированные в ней. В результате активации рецепторы меняют свою конформационную структуру и активируют рианодинчувствительные кальциевые каналы мембран цистерн L-трубочек СПР. В цистернах ионы Са
++ связаны с кальсеквестрином (связывает 45 молекул Са++) и «белком с высоким сродством к кальцию» (связывает 25 молекул Са++). Каналы открываются и кальций по градиенту концентрации диффундирует из цистерн в миоплазму, его концентрация повышается с 10-7 М до 10-5 М. На этом заканчивается электрохимическое преобразование и начинается хемомеханическое.
Ионы кальция связываются с TN-C, который имеет ионизированную карбоксильную группу, легко присоединяющую Са++. При этом изменяется конформация TN-C, что приводит к изменению конформации TN-I, в результате чего освобождается место для смещения тропомиозина вглубь образовавшегося желобка между актиновыми миофиламентами. При этом открываются активные (миозинсвязывающие) участки актиновой нити.
Головка миозина в покое представляет собой комплекс «миозин + АДФ + фосфат». Активные центры актина обладают большим сродством к этому комплексу, в результате чего происходит присоединение головки миозина к активным центрам актинового филамента. Присоединение актина вызывает быстрое освобождение АДФ и фосфата из миозина, что приводит к изменению конформации головки. При этом головка поворачивается на 45о вокруг своей оси (рабочий ход). Так как головка имеет несколько центров связывания, то они последовательно взаимодействуют с активными участками на актиновом филаменте и при этом развивается тянущее усилие. После поворота головки к ней вместо ушедших АДФ и фосфата присоединяется АТФ, образуя комплекс «миозин + АТФ». Актин обладает к этому комплексу малым сродством, в результате чего происходит отсоединение головки миозина (разрыв поперечных мостиков). Головка становится перпендикулярно к актиновому филаменту. В головке миозина, уже не связанной с актином, происходит гидролиз АТФ, вновь образуется комплекс «миозин + АДФ + фосфат» и головка вновь способна присоединяться к актиновому филаменту.
В каждый конкретный момент развития сокращения часть головок миозинового филамента соединена с активными центрами актинового филамента, а другая часть свободна, что позволяет последовательно осуществлять скольжение актиновых нитей вдоль миозиновых, уменьшение длины саркомеров и укорочение мышцы в целом (или развитие напряжения мышцы).
В настоящее время появились некоторые факты, которые не вписываются в классическую теорию скольжения:
1) миозиновый филамент при сокращении меняет свою длину и диаметр (утолщается и укорачивается);
2) при сокращении укорачивается не только диск I, но и диск А;
3) между актиновыми и миозиновыми филаментами расстояние – 13 нм, а длина головки миозина – 19-21 нм;
4) сокращение мышцы ступенчатое, а не плавное, как при скольжении.
Эти и другие факты позволили Н.С.Мирошниченко и М.Ф.Шуба (1990) высказать гипотезу, что скольжение актиновых филаментов вдоль миозиновых невозможно из-за структурных препятствий и специфического характера действия сил на сократительный аппарат мышцы. Авторы считают, что в основе сокращения лежит вкручивание миозиновых филаментов в трубкообразные структуры, образованные актиновыми филаментами, а само сокращение обеспечивается междоменными перемещениями в работающих по очереди головках миозина. Указанная
гипотеза вкручивания в настоящее время находит всё большее и большее признание у специалистов по «молекулярной механике» и может стать новой современной теорией сокращения скелетных мышц в будущем.
Энергетика мышечного сокращения
Энергия для сокращения мышц образуется при гидролизе АТФ под влиянием фермента АТФ-азы. Свойства этого фермента появляются у головки миозина (тяжёлых цепей), когда она присоединяется к активным центрам актина. В расслабленном состоянии ни миозин, ни актин не обладают АТФ-азной активностью. При расщеплении АТФ меняется конформация АТФ-азного центра головки миозина и головка переходит в новое высокоэнергетическое состояние. Она поворачивается и присоединяется к активному центру актинового филамента. Повторное присоединение головки миозина к актину сопровождается новым поворотом головки. При каждом цикле соединения и разъединения головки миозина с актином гидролизуется одна молекула АТФ на один поперечный мостик. При этом концентрация кальция в миоплазме должна быть не менее 10-5 М.
Одна молекула АТФ при расщеплении до АДФ и Н3РО4 выделяет 10000 ккал (48 кДж) энергии. Распад АТФ, т.е. снижение отношения АТФ к АДФ, запускает ресинтез АТФ (принцип Энгельгарта). Ресинтез АТФ осуществляется анаэробными и аэробными путями. Для этого в мышцах имеется три энергетических системы, которые включаются последовательно по мере расходования АТФ:
1) анаэробная фосфагенная система (АТФ-КФ система);
2) гликолитическая система;
3) окислительная система.
Эти системы отличаются друг от друга по энергетической ёмкости, т.е. по максимальному образованию энергии в единицу времени. Как только АТФ гидролизовалась до АДФ, мгновенно (через несколько миллисекунд) включается фосфагенная система и происходит срочный анаэробный ресинтез АТФ из креатинфосфата (КФ), т.к. КФ значительно больше, чем АТФ (креатинкиназная реакция):
АДФ + КФ → АТФ + К
Если истощаются запасы КФ, то АТФ образуется из двух молекул АДФ (миокиназная реакция):
2АДФ → АТФ + АМФ
АМФ подвергается дезаминированию:
АМФ → ИМФ + NH3.
Одновременно идёт ресинтез КФ в митохондриях.
Ёмкость фосфагенной системы мала. При её максимальной работе АТФ хватает на 5-6 секунд работы. Если сокращение мышц продолжается, то последовательно развёртываются гликолитическая и окислительная системы.
Работу гликолитической системы запускает АДФ. Анаэробно начинают расщепляться глюкоза и гликоген до лактата. При этом одна молекула глюкозы даёт энергию для синтеза двух молекул АТФ. Эта АТФ расходуется на работу мембранных насосов. Образование АТФ анаэробным путём происходит в 2-3 раза быстрее, чем аэробным. Ёмкость гликолитической системы в 25 раз больше, чем фосфагенной, но намного меньше, чем окислительной. Поэтому сокращение мышц при анаэробном гликолизе может быть интенсивным, но будет продолжаться 1-2 минуты, а затем с накоплением молочной кислоты наступает утомление.
При продолжающемся сокращении мышц через 2-3 минуты развёртывается окислительная система и ресинтез АТФ будет осуществляться в основном за счёт окислительного фосфорилирования. При этом одна молекула глюкозы даёт 36 молекул АТФ. Ёмкость окислительной системы в тысячи раз превышает ёмкость фосфагенной и гликолитической систем. Поэтому при хорошем кровоснабжении и достаточном поступлении кислорода мышцы работают несколько часов без утомления.
Если сокращение мышц длительное, но малоинтенсивное, а потребность мышц в кислороде при этом удовлетворяется полностью, то АТФ ресинтезируется системой окислительного фосфорилирования за счёт окисления жиров. Такая ситуация наблюдается у спортсменов-стайеров (бег на марафонские дистанции).
При интенсивном сокращении мышц (выполнение большой работы за короткое время) энергия для сокращения мышц выделяется за счёт окисления углеводов гликолитической системой. Такая ситуация наблюдается во время бега на короткие дистанции у спортсменов-спринтеров.