Функции мышечной ткани

Мышцы в организме человека представлены двумя группами: поперечно­полосатыми и гладкими. К поперечно-полосатому типу мышц относятся скелетная и сердечная мышцы (сердце). Функцией скелетных поперечно­полосатых мышц является движение скелета, а в целом — тела человека. При этом скелетные поперечнополосатые мышцы называются произволь­ными, поскольку человек по своей воле может управлять их действиями. Сокращение сердечной мышцы не может возникать произвольно, т. е. по воле человека, и в этом отношение сердце, как поперечнополосатая мыш­ца, представляет исключение.

В гладких мышцах отсутствует поперечно-полосатая исчерченность. Эти мышцы образуют основную массу стенок внутренних органов (пищевари­тельный канал, кровеносные сосуды, внутренние полые органы, выводные протоки желез внешней секреции и дыхательные пути). Гладкие мышцы организма человека называются непроизвольными, поскольку человек по своей воле не способен контролировать их сократительную способность и функцию.

Скелетная, сердечная и гладкие мышцы имеют как структурные, так и функциональные различия образующих их мышечных волокон и, в свою очередь, подразделяются на следующие подтипы.

Скелетные мышцы подразделяются на белые и красные', первые по функ­ции являются быстро сокращающимися мышцами, а вторые — медленно сокращающимися. Большинство мышц тела человека являются смешанны­ми и их функция обусловлена быстрыми и медленными мышечными во­локнами.

Гладкие мышцы подразделяются на два разных по строению и функции типа: унитарные и мультиунитарные. Первые образованы большим числом связанных между собой гладкомышечных клеток — так называемыми плот­ными контактами, а вторые состоят из отдельных гладкомышечных воло­кон. В унитарной гладкой мышце возбуждение отдельного гладкомышеч­ного волокна способно распространяться на всю мышцу. Напротив, в мультиунитарной мышце каждое гладкомышечное волокно имеет собст­венную иннервацию, через которую управляется сократительная способ­ность мышцы.

Сердечная мышца подразделяется на сократительные клетки, которые образуют предсердия и желудочки (миокард), и клетки, которые не облада­ют сократительной способностью, способны спонтанно генерировать элек­трические импульсы и проводить их к сократительным клеткам сердца.

2.6.1. Скелетная мышца

Скелетная мышца представляет собой комплекс отдельных многоядерных мышечных клеток или волокон, которые состоят из функциональных еди­ниц — миофибрилл, осуществляющих механизм сокращения в результате взаимодействия белковых филаментов миозина и актина. Основной харак­теристикой скелетной мышечной ткани является ее способность под кон­тролем со стороны нервной системы развивать силу сокращения и укороче­ние. Степень механического напряжения и укорочения мышцы обусловле­на активацией числа двигательных единиц, образующих целую мышцу. Двигательной единицей скелетной мышцы называется количество двига­тельных (моторных) мышечных волокон, которые иннервируются одним двигательным нейроном спинного мозга.

Скелетное мышечное во­локно представляет собой вытянутую многоядерную клетку, которая содержит сократительные элементы, или миофибриллы. В каж­дом мышечном волокне со­держится до 1000 миофиб­рилл и более, толщиной 1 — 3 мкм. Отдельная миофиб­рилла состоит, в свою оче­редь, из множества толстых и тонких миофиламентов — нитей белка миозина и белка актина соответственно. Взаимодействие между тол­стыми и тонкими миофила­ментами является физиче­ской основой мышечного сокращения. Миофиламен­ты окружены цитоплазмой,

Рис. 2.25. Схематическое изображение саркоме­ра скелетной мышцы.

I. Саркомер является структурно-функциональной единицей скелетного мышечного волокна, включает в себя сократительные белки миозин и актин, располо­женные между белковыми Z-мембранами. Саркомер состоит из анизотропных (А) дисков, в пределах кото­рых перекрываются между собой тонкие актиновые й толстые миозиновые филаменты. Изотропные (И) диски саркомера заключают в себе только филаменты актина. В средней части анизотропного диска распо­ложена полоса Н, в пределах которой находятся фила­менты миозина. СПР — саркоплазматический ретику­лум. Рр и ДР — рианодиновый и дигидропиридино­вый рецепторы или кальциевые ионные каналы сар­колеммы и СПР соответственно. II — пространствен­ное гексамодальное расположение актиновых фила­ментов в пределах изотропных дисков (а, г) и миози­новых и актиновых филаментов в пределах анизотроп­ного диска по обе стороны от полосы Н (б, в).

тивновых филаментов.

Нити миозина лежат в центре саркомера и выглядят в световом микро­скопе как темная полоска, которая называется анизотропным А-диском. По обе стороны от A-диска лежат тонкие нити актина, которые в световом микроскопе образуют светлые изотропные диски. Нити актина, которые образуют в саркомере два изотропных диска, тянутся до Z-мембран.

2 6. L L Функции миофиламентов

Сократительная способность скелетной мышцы обусловлена функцией мышечных белков актина и миозина, взаимодействие которых между со­бой является основой механизма сокращения скелетной мышцы.

Тропомиозин

Рис. 2.26. Схематическое изображение пространственного расположения актина, миозина, тропомиозина и тропонина. Субъединица С тропонина является мио- фибриллярной молекулой, при соедине­нии с которой ионы кальция активируют механизм актомиозинового взаимодей­ствия.

Актиновые филаменты представляют собой двойные белковые спирали F-актина, каждая из которых образована примерно 200 единицами (моно­мерами) глобулярного G-актина. Каждый G-актин состоит из четырех суб­доменов. Два больших субдомена (3-й и 4-й) актина выполняют функцию связывания между собой белковой спирали F-актина, а два маленьких (1-й и 2-й), локализованные на периферии глобулярного G-актина, являются местами взаимодействия каждого мономера G-актина с толстым филамен­том. Основную роль в связыва­нии актина с миозином во время сокращения мышцы выполняет субдомен 1, содержащий NH₂ СООН терминали актина. Этот субдомен актина выполняет функцию связывающего центра. Поэтому каждый глобулярный G-актин представляет собой ме­сто связывания с миозином при сокращении мышцы. В состоя­нии покоя скелетной мышцы центры связывания на каждом глобулярном G-актине закрыты белками тропонином и тропо­миозином. Эти белки функцио­нально связаны между собой и образуют тропонин-тропомиози- новый комплекс, который распо­ложен вдоль всей двойной белко­вой спирали F-актина (рис. 2.26).

Тропомиозин представляет со­бой молекулу длиной 42 нм, об­разованную двумя белковыми?- цепями по типу спирали. Тропо­миозин связан электростатически с актиновым филаментом. Одна­ко элетростатическая связь между актиновым филаментом и тропо­миозином является плотной только во время расслабления скелетной мышцы. В присутст­вии ионов Са²⁺ эта связь стано­вится менее плотной, тропомио­зин становится подвижным и способен открывать места связы­вания на актиновом филаменте для поперечных мостиков миози­на, что происходит во время со­кращения.

В разных типах мышечной ткани тропомиозин имеет различную подвижность относительно актина. Например, в скелетной мышце тропомиозин более подвижен, чем в сердеч­ной мышце, что обусловливает отличие в сократительных свойствах этих двух типов поперечно-полосатых мышечных тканей. Подвижность тропо­миозина относительно актинового филамента регулируется тропонином.

Тропонин состоит из трех белковых субъединиц: С, I и Т. Субъединица С тропонина является своеобразным сенсором для ионов Са²⁺ в регуляции сокращения как в скелетной, так и в сердечной мышцах. Тропонин С име­ет две глобулярные области — NH₂ и СООН терминали. В скелетном мы­шечном волокне каждая из этих концевых областей тропонина С содержит два возможных места связывания ионов Са²⁺. Функция субъединицы I тро­понина заключается в связывании тропонина с актином. Субъединица Т тропонина прочно удерживает вместе тропонин-тропомиозиновый комплекс на нитях актина,

В присутствии ионов Са²⁺ связь тропонина Т и тропомиозина относи­тельно тонкой нити актина становится подвижной. Это приводит к откры­тию мест связывания на актиновом филаменте, с которым способны свя­зываться поперечные мостики толстого филамента с началом процесса мышечного сокращения.

Толстый филамент представляет собой биполярный полимер белка мио­зина, который способен взаимодействовать с актином и развивать в ре­зультате этого взаимодействия силу и укорочение мышцы.

Двигательный белок миозин состоит из двух тяжелых и четырех легких полипептидных цепей. Тяжелые полипептидные цепи образуют спираль миозина. Глобулярные концевые NH₂ области называются головками, с по­мощью которых происходит взаимодействие между центрами связывания на актиновом филаменте с миозином во время сокращения мышцы. Одна пара легких полипептидных цепей связана с каждой головкой. Основа тол­стого филамента представлена миозиновым стержнем, который скручен из множества белковых нитей. Образование миозинового стержня происходит в период развития мышечной ткани, благодаря функции белка С саркоме­ра, который является антителом для белка миозина.

В скелетных мышцах от миозинового стержня по его окружности отходят с равным интервалом в 14,3 нм пары головок поперечных, а расстояние ме­жду головками по одной линии толстого филамента составляет 43 нм. При этом каждая пара головок на филаменте миозина ориентирована на 180° от­носительно другой. Подобная «геометрия» расположения поперечных мос­тиков на толстом филаменте обусловливает их взаимодействие с любой из шести окружающих его тонких филаментов с интервалом в 14,3 нм.

Важным внутриклеточным элементом эластичности мышечных волокон является высокоэластичный белок титин, который формирует своеобраз­ную сеть вокруг нитей актина и миозина в пределах каждого саркомера и придает ему механические свойства как в покое, так и при мышечном со­кращении. Благодаря наличию белка титина в саркомере, в состоянии по­коя сократительные элементы развивают напряжение при растяжении мышцы.

2.6.1.2. Механизм сокращения скелетной мышцы

Во время укорочения мышцы уменьшается длина саркомеров. При этом филаменты актина и миозина, входящие в состав саркомеров, не изменяют своей длины. Уменьшение длины соркомеров происходит в результате движения (скольжения) тонких филаментов с двух сторон саркомера к его

Рис. 2.27. Миозиновые поперечные мос­тики связываются с любым из шести ак­тивновых филаментов, которые окружа­ют миозиновый филамент. В результате актомиозинового взаимодействия проис­ходит «скольжение» активновых фила­ментов относительно миозиновых. При этом длина саркомера уменьшается за счет сближения Z-мембран без измене­ния длины сократительных белковых фи­ламентов.

центру относительно толстых мио- зи новых филаментов (рис. 2.27). Молекулы актина и миозина спо­собны взаимодействовать между собой как в условиях in vivo, так и in vitro. В мышце эта связь миози­новых головок с актиновым фила­ментом является циклической и представляет собой многочислен­ные укорочения миозиновых по­перечных мостиков, что поддер­живает постоянство сокращения в целой активной мышце.

Цикл поперечного мостика во время сокращения мышцы —- это связывание, укорочение, высвобо­ждение и вновь связывание попе­речного мостика миозина с акти­новым филаментом, что весьма напоминает собой человека, кото­рый на руках поднимается вверх по канату. В саркомере каждый миозиновый филамент находится в окружении шести актиновых филаментов. Миозиновые фила­менты вращаются во время взаи­модействия с окружающими их шестью филаментами актина, а их поперечные мостики связываются лишь с тремя случайными тонки­ми миофиламентами. Согласно теории скольжения филаментов мышечного сокращения попереч­ные мостики миозина взаимодействуют с актином асинхронно, т. е. одни находятся «в захвате», в то время как другие «изменяют свой захват». Мио­зиновые головки, которые образуют поперечные мостики, расположены только на концах миозиновых филаментов. Поэтому при максимальном увеличении длины саркомеров, несмотря на раздражение мышцы, полно­стью отсутствует сокращение мышцы.

Активность актомиозиновых мостиков, с помощью которых актиновые филаменты прикрепляются к миозину, представляет собой процесс, в ходе которого химическая энергия АТФ превращается в сокращение мышцы. Каждый отдельный поперечный мостик имеет структурные особенности, которые вовлечены в сокращение мышцы. Эти особенности включают двойную головку миозина, которая содержит АТФазную активность попе­речного мостика, и способность связываться плотно с актином, и в то же время вращается наподобие шарнира относительно стержня поперечного мостика. В свою очередь стержень поперечного мостика также наподобие шарнира связан с миозиновым стержнем и обладает эластическими свой­ствами, заключающими в себе энергию, необходимую при развитии на­пряжения во время вращении головки поперечного мостика.

Поперечные мостики отходят от миозинового стержня таким образом, что образуют спираль вдоль толстного филамента с интервалом 14,3 нм

Тяжелые белковые спирали

Актин

Головка поперечного мостика

| ^х Шарнир «--------------------

Рис. 2.28, Цикл «замыкание—сокращение-размыкание» поперечного мостика мио­зина.

Стадия 1 — в саркоплазме низкая концентрация ионов кальция (менее 10"⁷ М), места связыва­ния на филаменте актина блокированы тропонин-тропомиозиновым комплексом. Стадия 2 — коцентрация ионов кальция в саркоплазме возрастает до порогового уровня, поперечный мостик миозина связывается с актином. Связывание ускоряет гидролиз АТФ примерно в 200 раз с образованием АДФ и фосфата (Ф). Стадия 3 — энергия гидролиза АТФ вызывает движе­ние головки поперечного мостика и одновременно растягивается эластичный компонент по­перечного мостика. Стадия 4 — эластический компонент поперечного мостика укорачивается, что вызывает перемещение актинового филамента ~ это является «шагом» укорочения сарко­мера. Стадия 5 — с головкой поперечного мостика связывается новая молекула АТФ и попе­речный мостик миозина высвобождается от связи с атином. При высокой концентрации ио­нов кальция в саркомплазме цикл «замыкание—сокращение—размыкание» будет неоднократ­но повторяться, а при удалении ионов кальция в саркоплазматический ретикулум скорость гидролиза АТФ резко снижается и тормозится прочное актомиозиновое взаимодействие.

между мостиками. Этот интервал столь мал, что каждой мостик должен многократно взаимодействовать с актином по мере продвижения вдоль ак­тинового филамента, чтобы произошло существенное укорочение длины всей мышцы.

В состоянии покоя поперечный мостик расположен параллельно мио­зиновому стержню (рис.2.28), а его головка — перпедикулярно относитель­но последнего, и не прикреплена к актиновому филаменту (стадия I). По­сле того, как ионы Са²⁺ высвобождаются из саркоплазматического ретику­лума (описано ниже) и активируют сокращение мышцы, активновый фи­ламент может связываться с миозиновой головкой (стадия 2). После свя­зывания головка наклоняется (стадия 3), используя энергию, заключенную в миозин-АТФазном комплексе головки. Это является основной силой по­перечного мостика, которая растягивает его эластический компонент для того, чтобы произвести энергию движения вдоль активного филамента (стадия 4). В результате головка мостика совершает движение на 40° к цен­тру саркомера и перемещает при этом на 10 нм нить актина. В это время от головки высвобождаются АДФ и монофосфат, что необходимо для за­хвата головкой миозина новой молекулы АТФ. Только после этого головка миозина отделяется от молекулы актина, необходимой для размыкания по­перечного мостика с актином (положение 5).

Цикл будет продолжаться до тех пор, пока концентрация ионов Са⁺⁺ в межфибриллярном пространстве не снижается до подпороговой величины, т. е. 10"’ М, что приведет к расслаблению мышцы, или пока не будут ис­черпаны запасы АТФ. В последнем случае в мышце возникает спазм или мышечная контрактура (rigor), при которой в течение нескольких секунд или минут отсутствует расслабление мышцы. При трупном окоченении (rig­or mortis), возникающем после смерти человека, значительный процент поперечных мостиков остается в связанном с актиновыми филаментами положении, что придает мышцам необычно высокую плотность.

Таким образом, функция АТФ проявляется в двух точках процесса со­кращения мышцы. Во-первых, АТФ является источником энергии для со­кращения. Во-вторых, АТФ отсоединяет поперечной мостик для того, что­бы повторялся цикл поперечных мостиков «замыкание—сокращение—раз­мыкание».

2.6.1.3. Активация мышечного сокращения

Процесс, при котором потенциалы действия, генерируемые на сарколемме в области нервно-мышечного синапса, активируют сокращение мышцы, называется электромеханическим сопряжением (рис. 2.29). Центральным процессом в электромеханическом сопряжении является взаимодействие ионов Са²⁺ с тропонином, когда изменяется положение тропомиозина, за­крывающего места связывания на активном филаменте для поперечных мостиков миозина.

В состоянии покоя мышечного волокна Са²⁺-АТФаза саркоплазматиче­ского ретикулума активно закачивает ионы Са²⁺ из саркоплазмы в его цис­терны, где большинство ионов находится в обратимо связанном состоянии с белком кальсеквестрином. В саркоплазме мышечного волокна концентра­ция ионов Са²⁺ снижена до уровня порядка 0,1 мкМ/л или 10"⁷ М, при ко­тором тропонин-тропомиозиновый комплекс закрывает места связывания актина с головками поперечных мостиков миозина.

Тем не менее даже при столь низкой концентрации ионов Са²⁺ в сарко­плазме отдельные места на концевых субдоменах актина могут осуществ­лять слабое электростатическое взаимодействие с миозином. В этом случае имеет место прямое связывание головки миозина с актином. Благодаря этому в состоянии покоя мышечного волокна тонкие филаменты в сарко­мере находится не в свободном, а в зафиксированном положении, что под­держивает упорядоченное пространственное расположение тонких и тол­стых миофиламентов между собой в саркомерах мышц.

Для того чтобы вызвать сокращение, потенциал действия мышцы, вы- зваемый двигательным нервом, распространяется по сарколемме мышеч­ной клетки и внутрь поперечных трубочек (t-система), открывая кальцие­вые ионные каналы мембраны. В фазу деполяризации потенциала дейст­вия сарколеммы в области t-системы открывается L-тип потенциалзависи­мых кальциевых ионных каналов, которые, в свою очередь, вызывают от­крытие кальциевых ионных каналов саркоплазматического ретикулума. Это обусловлено тем, что L-тип потенциалзависимых кальциевых ионных каналов сарколеммы в области t-системы, или дигидропиридиновый рецеп­тор (агонист—дигидропиридин), прямо структурно связан с рианодиновым рецептором (агонист — рианодин) или кальциевым ионным каналом сарко­плазматического ретикулума. Функцией структурного взаимодействия этих

Т-трубочкамембранымышечнойклетки

Na+/K+- Na++/Ca++- Дигидропиридиновый АТФаза обменник рецептор (Са++- канал)

 

А. Механизм представляет собой последовательную цепь деполяризации сарколеммы в облас­ти Т-трубочки мышечного волокна, активации дигидропиридинового рецептора и сопряжен­ного с ним рианодинового рецептора мембраны саркоплазматического ретикулума. Б. В ре­зультате активации обоих ионных каналов концентрация ионов кальция в цитозоле повыша­ется за счет поступления ионов кальция из внеклеточной среды, а также из саркоплазматиче­ского ретикулума. В. Повышение концентрации ионов кальция в области сократительных бел­ков и их связывание с субъединицей С тропонина вызывает мышечное сокращение. СПР — саркоплазматический ретикулум. Рр — рианодиновый рецептор (высвобождающий ионы каль­ция канал).

двух рецепторов является открытие кальциевых каналов саркоплазматиче­ского ретикулума и выход ионов Са²⁺ в саркоплазму. Когда концентрация ионов Са²⁺ в межфибриллярном пространстве, т. е. в саркоплазме между нитями актина и миозина, увеличивается до 10 мкМ/л (10^-5 М) и более, ионы Са²⁺ начинают связываться с тропонином С. Активация тропонина С при связывании с ионами Са²⁺ вызывает смещение тропонин-тропомиози- нового комплекса примерно на 25° вокруг поверхности актинового фила­мента и погружение молекул тропомиозина вглубь между белковыми цепя­ми актина. В результате на актиновых филаментах открываются места свя­зывания для головок поперечных мостиков миозина и начинается цикл их сокращения. При этом начинается сокращение всей скелетной мышцы, которое будет продолжаться до тех пор, пока концентрация ионов Са²⁺ в саркоплазме не станет пороговой или сверхпороговой для поддержания со­кратительного процесса.

2.6.1.4. Расслабление скелетной мышцы

Расслабление скелетной мышцы начинается только после того, как кон­центрация ионов Са²⁺ в саркоплазме мышечных клеток снижается ниже порогового уровня, т. е. ниже 10 мкМ/л, или 10"⁵ М. Расслабление мышцы обусловливают три процесса: 1. Отсоединение (диссоциация) ионов Са²⁺ от субъединицы С тропонина. 2. Диффузия ионов Са²⁺ в сторону сарко­плазматического ретикулума. 3. Активный транспорт ионов Са²⁺ внутрь саркоплазматического ретикулума при участии Са²⁺-АТФазы.

В начальный момент расслабления длина мышцы остается постоянной. Это происходит из-за того, что первоначально происходит расслабление саркомеров, находящихся на концах мышц, в то время как центральные саркомеры остаются укороченными. Это состояние характерно лишь для начального момента мышечного расслабления, а именно фазы изометриче­ского расслабления. Процесс расслабления во всех саркомерах усиливается после того как сила сокращения мышцы уменьшается примерно на 20— 30 %. Это обусловлено тем, что во время расслабления мышцы уменьшает­ся подвижность тропомиозина по поверхности белковых цепей актина примерно с той же скоростью, что и сила сокращения. В результате чем меньше сила сокращения мышцы, тем меньше открыто мест связывания на актиновых филаментах для поперечных мостиков миозина

2.6.1.5. Типы мышечных сокращений

Скелетные мышцы развивают сокращение под влиянием нервных импуль­сов, поступающих от двигательных нейронов, расположенных в передних рогах спинного мозга. Мышечные волокна, иннервируемые одним мото­нейроном спинного мозга, образуют двигательную единицу. В зависимости от количества потенциалов действия, которые поступают к двигательным единицам, в мышце могут возникать несколько типов сокращения: оди­ночное мышечное сокращение, тетаническое, изометрическое, изотониче­ское и смешанное. Сокращение мышцы в целом является результатом сум­мации одиночных мышечных сокращений.

Одиночное мышечное сокращение. Сократительный ответ мышечного во­локна или отдельной мышцы на одно раздражение называется одиночным сокращением (рис. 2.30). Одиночное сокращение имеет латентный период, фазу развития напряжения, или укорочения, и фазу удлинения, или расслаб­ления. Длительность каждой фазы зависит от морфофункциональных свойств мышечных волокон: у быстро сокращающихся волокон глазных мышц фаза напряжения составляет 7—10 мс, а у волокон камбаловидной мышцы — 50—100 мс. Фаза укорочения в одиночном мышечном сокраще­нии всегда меньше по времени, чем фаза расслабления. Одиночное мышеч­ное сокращение возникает в том случае, если интервал времени между по­следовательными разрядами мотонейронов, вызывающими подобный тип сокращения, равен или превышает время одиночного сокращения. Так, во­локна глазодвигательных мышц имеют режим одиночного сокращения при частоте импульсации мотонейрона менее 50 Гц, а волокна камбаловидной мышцы человека — при частоте менее 10 Гц. В режиме одиночного сокра­щения мышца способна работать длительное время без развития утомления.

Тетаническое мышечное сокращение. Тетаническим называется сокраще­ние мышцы, при котором происходит суммация одиночных мышечных со­кращений в результате ее раздражения частыми (тетаническими) стимула­ми. Различают зубчатый и гладкий тетанусы. Зубчатый тетанус возникает

Зубчатый тетанус f Гладкий тетанус Т

 

Раздражение электрическим током