8. Строение мышцы. Биофизика мышечного сокращения.

Мышечная активность - это одно из общих свойств высоко­организованных живых организмов. Независимо от на­значения, особенностей строения и способов регуляции прин­цип работы различных мышц организма одинаков.

Мышечная клетка отличается от других возбудимых клеток свойством,сократимости то есть способность генерировать механическое напряжение и укора­чиваться. Мышцы являются генератором тепла, причем не только при мышечной работе, холодовой дрожи, но и в режиме нетонического термогенеза.

Мышечная активность в процессе жизнедеятельности обес­печивает работы отдельных органов и целых систем: работу опорно-двигательного аппарата, легких, сосудистую актив­ность, желудочно-кишечного тракта, сократительную способ­ность сердца. Нарушение работы мышц (например, определяющих функционирование легких, сердца) может приводить к патологиям, а ее прекращение - даже к летальному исходу.

Мышечная ткань представляет собой совокупность мышеч­ных клеток {волокон), внеклеточного вещества (коллаген, эла­стин и др.) и густой сети нервных волокон и кровеносных сосу­дов. Мышцы по строению делятся на: гладкие - мышцы кишечника, стенки сосудов, и поперечно-полосатые - скелет­ные, мышцы сердца. Независимо от строения все они имеют близкие механические свойства, одинаковый механизм акти­вации и близкий химический состав.

Поперечно-полосатая структура мышечных волокон имеет диаметр 20 - 80 мкм и окружено плазматичес­кой мембраной толщиной 10 нм. Каждое отдельное волокно -это сильно вытянутая клетка. Длина отдельных волокон (кле­ток) может существенно варьироваться, в зависимости от вида мышцы, от сотен микрон до нескольких сантиметров. Внутри волокна, кроме известных органелл (ядро, ядрышко, митохон­дрии, аппарат Гольджи и др.), находятся сократительный ап­парат клетки, состоящий из 1000 - 2000 параллельно располо­женных миофибрилл диаметром 1-2 мкм, а также клеточные органеллы: саркоплазматический ретикулум и система попе­речных трубочек - Т-система.

Рис. 7.1. Схематическое изображение миофибриллы мышечного волокна:

а – состояние покоя, б - растяжение (подробности в тексте). Справа - схема расположения актина и миозина на поперечном срезе.

В миофибриллах различают (рис. 7.1): А-зону - темные поло­сы, которые в поляризованном свете дают двойное лучепрелом­ление, то есть обладают свойством анизотропии (отсюда и назва­ние: А-зона), 1-зону - светлые полосы, не дающие двойного лучепреломления, то есть изотропные (отсюда название: 1-зона). В области I-зоны проходит темная узкая полоса - Z-диск (от нем. zwischenscheibe - промежуточный диск). Промежуток между двумя Z-дисками называется саркомером и является элементар­ной сократительной единицей мышечной клетки.

Саркомер - это упорядоченная система толстых и тонких ни­тей, расположенных гексагонально в поперечном сечении. Тол­стая нить имеет толщину ==12 нм и длину =1,5 мкм и состоит из белка миозина. Тонкая нить имеет диаметр 8 нм, длину 1 мкм и состоит из белка актина, прикрепленного одним кон­цом к Z-диску.

Рис. 7.2. Микроструктура саркомера

Актиновая нить состоит из двух закрученных один вокруг дру­гого мономеров актина толщиной по 5 нм (рис. 7.2). Эта струк­тура похожа на две нитки бус, скрученные по 14 бусин в витке. В цепях актина регулярно примерно через 40 нм встроены моле­кулы тропонина, а сама цепь охватывает нить тропомиозина. При сокращении мышцы тонкие нити вдвигаются между тол­стыми. Происходит относительное скольжение нитей без изме­нения их длины. Этот процесс обусловлен взаимодействием осо­бых выступов миозина - поперечных мостиков с активными центрами, расположенными на актине. Мостики отходят от тол­стой нити периодично на расстоянии 14,5 нм друг от друга.

В расслабленном состоянии миофибрилл молекулы тропо­миозина блокируют прикрепление поперечных мостиков к актиновым цепям (рис. 7.3, а).

Рис. 7.3. Процесс активации мостика и генерации усилия в саркомере

Ионы Са²⁺ активируют мостики и открывают участки их прикрепления к актину (рис. 7.3,6). В результате мостики миозина прикрепляются к актиновым нитям, расщепляются молекулы АТФ и изменяется конформация мостиков: их головки поворачиваются внутрь саркомера (рис. 7.3, в). Это приводит к генерации силы, скольжению актина относительно толстой нити миозина к центру саркомера, что вызывает укорочение мышцы. После окончания ак­тивации мостик размыкается и саркомер возвращается в ис­ходное состояние. При укорочении объем саркомера практи­чески не меняется, а следовательно, он становится толще, что и подтверждается на снимках поперечного сечения мышц с помощью электронной микроскопии. Каждый цикл замыка­ние-размыкание сопровождается расщеплением одной моле­кулы АТФ. Таким образом, актин-миозиновый комплекс яв­ляется механохимическим преобразователем энергии АТФ. Рассмотренная структура и последовательность процессов на­зывается моделью скользящих нитей.

Впервые скольжение нитей в саркомере было обнаружено ан­глийским ученым Х.Хаксли. Он же сформулировал модель скользящих нитей. Существенный вклад в разработку теории скользящих нитей внес В.И. Дещеревский.

Представленная структурная модель скользящих нитей на­дежно подтверждена экспериментально и является опытным фактом, на котором основаны все современные теории мышеч­ного сокращения.

Экспериментальные данные о микроструктуре мышц были изу­чены с помощью электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и метода дифракции синхротронного излучения.

Основные положения модели скользящих нитей:

1. Длины нитей актина и миозина в ходе сокращения не ме­няются.

2. Изменение длины саркомера при сокращении - результат относительного продольного смещения нитей актина и миози­на.

3. Поперечные мостики, отходящие от миозина, могут при­соединяться к комплементарным центрам актина.

4. Мостики прикрепляются к актину не одновременно.

5. Замкнувшиеся мостики подвергаются структурному пе­реходу, при котором они развивают усилие, после чего проис­ходит их размыкание.

6. Сокращение и расслабление мышцы состоит в нарастании и последующем уменьшении числа мостиков, совершающих цикл замыкание-размыкание.

7. Каждый цикл связан с гидролизом одной молекулы АТФ.

8. Акты замыкания-размыкания мостиков происходят не за­висимо друг от друга.

Мышцы можно представить как сплошную среду, то есть сре­ду, состоящую из большого числа элементов, взаимодействую­щих между собой без соударений и находящихся в поле вне­шних сил. Мышца одновременно обладает свойством упругости и вязкости, то есть является вязко-упругой средой. Для такой среды предполагаются справедливыми законы классической механики.

Активное сокращение мышцы. Для исследования характе­ристик сокращающихся мышц используют два искусственных режима:

1. Изометрический режим, при котором длина мышцы I — const, а регистрируется развиваемая сила F(t).

2. Изотонический режим, при котором мышца поднимает по­стоянный груз Р — const, а регистрируется изменение ее длины во времени Al (t).

Зависимость скорости укорочения от нагрузки Р является важнейшей при изучении работы мышцы, так как позволяет выявить закономерности мышечного сокращения и его энерге­тики. Она была подробно изучена при разных режимах сокра­щения Хиллом и представлена на рис. 7.8.

Им же было предложено эмпирическое выражение, описы­вающее эту кривую:

. (7.2)

Уравнение Хилла является ос­новным характеристическим уравнением механики мышечного сокращения. Р_о - максимальное изометрическое напря­жение, развиваемое мышцей, или максимальный груз, удер­живаемый мышцей без ее удлинения; b - константа, имею­щая размерность скорости, а - константа, имеющая размер­ность силы.

Эффективность работы мышцы при сокращении может быть определена как отношение совершенной работы к затраченной энергии АЕ:

Развитие наибольшей мощности и эффективности сокраще­ния достигается при усилиях 0,3 - 0,4 от максимальной изо­метрической нагрузки Р_о для данной мышцы. Это используют, например, спортсмены-велогонщики: при переходе с равнины на горный участок нагрузка на мышцы возрастает и спортсмен переключает скорость на низшую передачу, тем самым умень­шая Р, приближая ее к Р_опт.

Кинетическая модель Дещеревского позволи­ла объяснить феноменологическое уравнение Хилла, смысл кон­стант а и Ь, входящих в него, смысл величины максимальной силы Р_о изометрического сокращения. Кроме того, показано, что внутренняя вязкая компонента мышцы определяется силой, развиваемой тормозящими мостиками, число которых растет с увеличением скорости сокращения мышцы.

Электромеханическое сопряжение - это цикл последователь­ных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия ПД на сарколемме (клеточной мембране) и заканчи­вающийся сократительным ответом мышцы. Нарушение последовательности процессов сопряжения может приводить к патологиям и даже к летальному исходу.

Процесс сокращения кардиомиоцита происходит следующим образом

В кардиомиоците электромеханическое со­пряжение идет в две ступени: вначале небольшой входящий поток кальция активирует мембраны СР, способствуя больше­му выбросу кальция из внутриклеточного депо, а затем в ре­зультате этого выброса происходит сокращение саркомера. Описанный выше двухступенчатый процесс сопряжения до­казан экспериментально. Опыты показали, что: а) отсутствие потока кальция извне клетки j_Ca прекращает сокращение саркомеров, б) в условиях постоянства количества кальция, выс­вобождаемого из СР, изменение амплитуды потока кальция приводит к хорошо коррелирующему изменению силы сокра­щения. Поток ионов Са²⁺ внутрь клетки выполняет таким об­разом две функции: формирует длительное (200 мс) плато по­тенциала действия кардиомиоцита и участвует в процессе электромеханического сопряжения.

Следует отметить, что не во всех мышечных клетках орга­низма процесс сопряжения происходит, как в кардиомиоците. Так, в скелетных мышцах теплокровных потенциал действия короткий (2-3 мс) и медленный поток ионов кальция в них отсутствует. В этих клетках сильно развита Т-система попереч­ных трубочек, подходящих непосредственно к саркомерам близко к z-дискам (см. рис. 7.11). Изменения мембранного по­тенциала во время деполяризации через Т-систему передается в таких клетках непосредственно на мембрану СР, вызывая зал­повое высвобождение ионов Са²⁺ и дальнейшую активацию со­кращения (3, 4, 5).

Временной ход описанных процессов показан на рис. 7.12.

Рис. 7.12. Временное соотношение между потенциалом действия кардиомиоцита (а) и одиночным сокращением (б) в этих клетках. Ордината слева - мембранный потенциал, справа - сила. - потенциал покоя

Общим для любых мышечных клеток является процесс ос­вобождения ионов Са²⁺ и внутриклеточных депо - саркоплаз­матического ретикулума и дальнейшая активация сокращения. Задержка начала развития сокращения в скелетных мышцах составляет 20 мс, а в сердечной - несколько больше (до 100 мс).