Молекулярный механизм мышечного сокращения

Последовательность биохимических и механических изменений на уровне саркомера представлены на рис. 9. Нервный импульс вызывает освобождение ионов Са²⁺ из пузырьков саркоплазматического ретикулума:

Свободные ионы кальция, поступая к миофибриллам, связываются с тропонином (Тн) и способствуют открытию блокированных актиновых центров взаимодействия с миозином, т.е. активируют актин (А):

Ионы кальция активируют также АТФ-азу миозина (М), которая в присутствии Са²⁺ расщепляет комплекс Мg-АТФ^2– до АДФ и Ф_н, что создает возможность соединения актина с головками миозина:

Процесс присоединения актина к головкам миозина сопровождается отделением продуктов АТФ-азной реакции и высвобождением химической энергии, которая преобразуется в механическую энергию напряжения актомиозиновых спаек движения (скольжения) тонких нитей к центру саркомера (см. рис. 9):

При скольжении тонких нитей вдоль толстых степень напряжения снижается и головки миозиновых молекул легко соединяются со свободными молекулами АТФ, что приводит к разрыву актомиозиновых спаек (см. рис. 9):

Рис. 9. Биохимия механизма сокращения и расслабления мышц

Если возбуждение мышцы не прекращается, то цикл описанных выше реакций повторяется, но уже с соседним активным центром тонкой нити. При прекращении нервной стимуляции мышцы ацетилхолин быстро расщепляется ацетилхолинэстеразой и восстанавливается исходное поляризованное состояние сарколеммы. Свободные ионы Са²⁺ из саркоплазмы поглощаются саркоплазматическим ретикулумом обратно с участием АТФ-зависимого Са²⁺-насоса. При гидролизе одной молекулы АТФ переносятся два иона кальция:

Удаление ионов Са²⁺ от сократительных белков приводит к началу расслабления. При расслаблении концентрация кальция в саркоплазме снижается от 10^–5 до 10^–7 моль · л^–1. Это приводит к потере активности АТФ-азы миозина. Головки миозиновых нитей связывают АТФ, но не расщепляют их. Тропонин при отсутствии кальция снова блокирует активные центры тонких нитей. Все это приводит к разрыву актомиозиновых комплексов и расхождению актиновых и миозиновых нитей. Под действием упругих сил белков стромы мышца возвращается в исходное состояние.

Таким образом, в процессе сокращения и расслабления мышц АТФ выполняет следующую роль:

• в покоящейся мышце – препятствует соединению актиновых нитей с миозиновыми;

• в процессе сокращения мышцы – поставляет необходимую энергию для движения тонких нитей относительно толстых, что приводит к укорочению мышцы или развитию напряжения;

• в процессе расслабления – обеспечивает энергией активный транспорт Са²⁺ в ретикулум.

Для поддержания сократительной функции мышцы концентрация АТФ в ней должна находиться на постоянном уровне в пределах от 2 до 5 ммоль · кг^–1. Поэтому при мышечной деятельности АТФ должна восстанавливаться со скоростью, с которой расщепляется в процессе сокращения, что осуществляется отдельными биохимическими механизмами ее ресинтеза.