3. Скелетное мышечное волокно

Структурно-функциональная единица скелетной мышцы — симпласт — скелетное мышечное волокно (рис. 7-1, 7-2, 7-2А), имеет форму протяжённого цилиндра с заострёнными концами. Этот цилиндр достигает в длину 40 мм при диаметре до 0,1 мм. Термином «оболочка волокна» (сaрколемма) обозначают две структуры: плазмолемму симпласта и его базальную мембрану. В стабилизации сарколеммы и её защите от избыточного напряжения, возникающего при сокращении мышечного волокна, участвует дистрофин-дистрогликановый комплекс (рис. 7-19). Между плазмолеммой и базальной мембраной расположены клетки-сателлиты с овальными ядрами. Палочковидной формы ядра мышечного волокна лежат в цитоплазме (саркоплазма) под плазмолеммой. В саркоплазме симпласта расположен контрактильный аппарат — миофибриллы, депо Ca2+ — гладкая эндоплазматическая (саркоплазматическая) сеть (ретикулум), митохондрии, включения (гранулы гликогена). От поверхности мышечного волокна к расширенным участкам саркоплазматического ретикулума направляются трубковидные впячивания сарколеммы — поперечные трубочки (Т-трубочки). Рыхлая волокнистая соединительная ткань между отдельными мышечными волокнами (эндомизий) содержит кровеносные и лимфатические сосуды, нервные волокна. Группы мышечных волокон и окружающая их в виде чехла волокнистая соединительная ткань (перимизий) формируют пучки. Их совокупность образует мышцу, плотный соединительнотканный чехол которой именуют эпимизий (рис. 7-2).

Рис. 7-1. Скелетная мышца состоит из поперечнополосaтых мышечных волокон. Значительный объём мышечного волокна занимают миофибриллы. Расположение светлых и тёмных дисков в параллельных друг другу миофибриллах совпадает, что приводит к появлению поперечной исчерченности. Структурная единица миофибрилл — саркомер, сформированный из толстых (миозиновых) и тонких (актиновых) нитей. Расположение тонких и толстых нитей в саркомере показано слева и слева внизу. G–актин — глобулярный, F–актин — фибриллярный актин. [26]

Рис. 7-2. Скелетная мышца в продольном и поперечном разрезе. А — продольный разрез; Б — поперечный разрез; В — поперечный срез отдельного мышечного волокна. [17]

Рис. 7-2А. Скелетная мышца. В продольном сечении мышечные волокна имеют цилиндрическую форму (1), чередование тёмных и светлых дисков обеспечивает хорошо выраженную поперечную исчерченность. В поперечном сечении (2) мышечные волокна имеют многоугольную форму. Ядра (3) располагаются под сарколеммой по периферии мышечного волокна. Окраска гематоксилином и эозином.

МИОФИБРИЛЛЫ

Поперечная исчерченность скелетного мышечного волокна определяется регулярным чередованием в миофибриллах различно преломляющих поляризованный свет участков (дисков) — изотропных и анизотропных: светлые (Isotropic, I-диски) и тёмные (Anisotropic, А-диски) диски. Разное светопреломление дисков определяется упорядоченным расположением по длине саркомера тонких и толстых нитей; толстые нити находятся только в тёмных дисках, светлые диски не содержат толстых нитей. Каждый светлый диск пересекает Z-линия. Участок миофибриллы между соседними Z-линиями определяют как саркомер.

Саркомер. Структурно-функциональная единица миофибриллы, находящаяся между соседними Z-линиями (рис. 7-3). Саркомер образуют расположенные параллельно друг другу тонкие (актиновые) и толстые (миозиновые) нити. I-диск содержит только тонкие нити. В середине I-диска проходит Z-линия. Один конец тонкой нити прикреплён к Z-линии, а другой конец направлен к середине сaркомера. Толстые нити занимают центральную часть сaркомера — А-диск. Тонкие нити частично входят между толстыми. Содержащий только толстые нити участок сaркомера — Н-зона. В середине Н-зоны проходит М-линия. I-диск входит в состав двух сaркомеров. Следовательно, каждый сaркомер содержит один А-диск (тёмный) и две половины I-диска (светлого), формула саркомера — ½ I + А + ½ I.

Рис. 7-3. Саркомер содержит один А-диск (тёмный) и две половины I-диска (светлого). Толстые миозиновые нити занимают центральную часть саркомера. Титин соединяет свободные концы миозиновых нитей с Z-линией. Тонкие актиновые нити одним концом прикреплены к Z-линии, а другим направляются к середине сaркомера и частично входят между толстыми нитями. [17]

• Толстая нить. Каждая миозиновая нить состоит из 300–400 молекул миозина и С–белка. Половина молекул миозина обращена головками к одному концу нити, а вторая половина — к другому. Гигантский белок титин связывает свободные концы толстых нитей с Z-линией.

à Миозин (рис. 7-4). В молекуле миозина различают тяжёлый и лёгкий меромиозины. Тяжёлый меромиозин имеет два субфрагмента (S). S1 содержит глобулярные головки миозина, S2 — эластический компонент, допускающий отхождение S1 на расстояние до 55 нм. Концевую часть хвостовой нити миозина длиной 100 нм образует лёгкий меромиозин. Миозин имеет два шарнирных участка, позволяющих молекуле изменять конформацию. Один шарнирный участок находится в области соединения тяжёлого и лёгкого меромиозинов, другой — в области шейки молекулы миозина (соединение S1-S2). Лёгкий меромиозин лежит в толще толстой нити, тогда как тяжёлый меромиозин (благодаря шарнирным участкам) выступает на её поверхность (рис. 7-5).

Рис. 7-4. Молекула миозина. Лёгкий меромиозин обеспечивает агрегацию молекул миозина, тяжёлый меромиозин имеет связывающие актин участки и обладает активностью АТФазы. [17]

Рис. 7-5. Толстая нить. Молекулы миозина способны к самосборке и формируют веретенообразный агрегат диаметром 15 нм и длиной 1,5 мкм. Фибриллярные хвосты молекул образуют стержень толстой нити, головки миозина расположены спиралями и выступают над поверхностью толстой нити. [17]

à Титин — наибольших размеров полипептид (из известных) с Mr 3000 кД — работает наподобие молекулярной пружины, обеспечивая структурную целостность миофибрилл во время сокращения. Один конец молекулы проникает в Z-линию и через a-актинин связывается с молекулой титина соседнего саркомера, другой конец приближается к М-линии и при помощи миомезина (М-белок) прикрепляется к свободному концу молекулы титина второй половины саркомера. В I-диске титин ассоциирован с тонкими нитями, а в А-диске этот белок связывается с толстыми нитями. Контактируя в области Z-линии и М-линии, молекулы титина образуют непрерывную цепь.

à С-белок стабилизирует структуру миозиновых нитей. Влияя на агрегацию молекул миозина, обеспечивает одинаковый диаметр и стандартную длину толстых нитей.

à Креатинфосфокиназа ассоциирована с толстыми нитями в середине тёмного диска, способствует быстрой регенерации АТФ из АДФ при сокращении.

• Тонкая нить состоит из актина, тропомиозина и тропонинов (рис. 7-6).

Рис. 7-6. Тонкая нить — две спирально скрученные нити F–актина. В канавках спиральной цепочки залегает двойная спираль тропомиозина, вдоль которой располагаются молекулы тропонина. [17]

à Актин. Молекулы глобулярного актина (G–актин) полимеризуются и образуют фибриллярный актин (F–актин). В состав тонкой нити входят две спирально закрученные цепочки F–актина.

à Тропомиозин состоит из двух полипептидных цепей и имеет конфигурацию двойной спирали. Полярные молекулы тропомиозина длиной 40 нм укладываются конец в конец в желобке между двумя спирально закрученными цепочками F–актина. Существует как минимум четыре гена, кодирующих мышечные и немышечные изоформы тропомиозина.

Немалиновая миопатия — мутация гена тропомиозина-3, передающаяся по аутосомно-доминантному типу. При биопсии в саркоплазме мышечных волокон I типа обнаруживаются палочковидные включения, формирующиеся из материала Z-линий.

à Тропонин (Tn) — комплекс, образованный тремя глобулярными СЕ: TnT, TnI, TnC. ТnT имеет участки для связи с тропомиозином. TnC — Ca2+-связывающий белок. TnI препятствует взаимодействию актина с миозином. Тропониновый комплекс прикреплён к молекулам тропомиозина с интервалами 40 нм.

à Небулин — фибриллярный белок, ассоциированный с тонкими нитями. Небулин проходит от Z-линии до свободного конца тонких нитей и контролирует их длину.

à a–Актинин, десмин и виментин — входят в состав Z-линии, в которую вплетён один конец тонкой нити.

САРКОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ

Каждая миофибрилла окружена регулярно повторяющимися элементами сaркоплазматического ретикулума — анастомозирующими мембранными трубочками, заканчивающимися терминальными цистернами (рис. 7-7). На границе между тёмным и светлым дисками две смежные терминальные цистерны контактируют с Т-трубочками, образуя так называемые триады. Саркоплазматический ретикулум — модифицированная гладкая эндоплазматическая сеть, выполняющая функцию депо кальция. Ca2+-связывающий белок кальсеквестрин находится внутри саркоплазматической сети. Ca2+ через кальциевые каналы (рецепторы рианодина RyR1), высвобождается из депо в саркоплазму в момент сокращения мышечного волокна. Са2+-транспортирующие АТФазы (SERCA —sarcoplasmic and endoplasmic reticulum calcium ATPase) в мембране саркоплазматического ретикулума откачивают Ca2+ из саркоплазмы обратно в депо кальция при расслаблении мышечного волокна. При гидролизе одной молекулы АТФ SERCA обеспечивает перенос через мембрану цистерны сaркоплазматического ретикулума двух H+ и двух Ca2+.

Рис. 7-7. Фрагмент скелетного мышечного волокна. Цистерны саркоплазматического ретикулума окружают каждую миофибриллу. Т-трубочки подходят к миофибриллам на уровне границ между тёмными и светлыми дисками и вместе с терминальными цистернами саркоплазматического ретикулума образуют триады. Между миофибриллами залегают митохондрии. [17]

СОПРЯЖЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Сарколемма мышечного волокна образует множество узких впячиваний — поперечных трубочек (Т-трубочки). Они проникают внутрь мышечного волокна и, залегая между двумя терминальными цистернами сaркоплазматического ретикулума, вместе с последними формируют триады. В триадах происходит передача возбуждения в виде потенциала действия плазматической мембраны мышечного волокна на мембрану терминальных цистерн — сопряжение возбуждения и сокращения. В мембрану Т-трубочек вмонтированы потенциалозависимые Са2+-каналы L-типа (дигидропиридиновые рецепторы), образующие тетрады. При этом каждая тетрада располагается напротив одного рецептора рианодина (Ca2+ -канала) в мембране терминальных цистерн саркоплазматического ретикулума. Деполяризация мембраны Т-трубочек вызывает в структуре рецепторов дигидропиридина, входящих в состав тетрады, конформационные изменения, которые соответственно передаются на четыре СЕ рецептора рианодина саркоплазматического ретикулума. Активированные таким образом рцепторы рианодина (Ca2+ -каналы в мембране терминальных цистерн) обеспечивают выход Са2+ из полостей саркоплазматического ретикулума в саркоплазму (рис. 7-8).

Рис. 7-8. Сопряжение возбуждения и сокращения в скелетном мышечном волокне. Тетрада Са2+-каналов L-типа в мембране Т-трубочки прямо контактируют с четырьмя СЕ Ca2+ -канала в мембране терминальных цистерн саркоплазматического ретикулума. Потенциалозависимые Са2+-каналы L-типа регистрируют деполяризацию плазмолеммы и активируют Ca2+ -каналы в мембране саркоплазматического ретикулума, обеспечивающие выход Ca2+ в саркоплазму. [114]

СОКРАЩЕНИЕ И РАССЛАБЛЕНИЕ

Сокращение мышечного волокна происходит при поступлении по аксонам двигательных нейронов к нервно-мышечным синапсам волны возбуждения в виде нервных импульсов (потенциалы действия нервных волокон). Это непрямое сокращение, оно опосредовано нервно-мышечной синаптической передачей возбуждения. Возможно и прямое сокращение мышцы. Под ним понимают сокращение групп мышечных волокон, происходящее при возбуждении любого звена последовательности событий после секреции нейромедиатора из терминалей аксона в нервно-мышечном синапсе. Прямое сокращение мышцы (например, мышечные подёргивания, или фибрилляции) — всегда патология.

ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ ПОСТСИНАПТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ

Возбуждение мотонейрона приводит к секреции ацетилхолина из терминалей аксона в синаптическую щель. Ацетилхолин связывается с его рецепторами (н-холинорецепторами), вмонтированными в постсинаптическую мембрану мышечного волокна (плазмолемма). Результат взаимодействия — деполяризация мембраны мышечного волокна, т.к. при взаимодействии нейромедиатора с холинорецептором открывается ионный канал в составе рецептора. Взаимодействие рецептора и ацетилхолина кратковременно, т.к. присутствующая в синапсе ацетилхолинэстераза гидролизует нейромедиатор. Нарушения в любом звене нервно-мышечной передачи приводят к искажениям мышечного сокращения.

• Ботулизм — острая бактериальная токсикоинфекция. Возбудитель ботулизма — Clostridium botulinum (анаэробная грамотрицательная спорообразующая палочка, устойчивая во внешней среде) продуцирует термолабильные нейротоксины (7 разновидностей). Симптомы заболевания обусловлен действием на организм нейротоксинов A/E, B, C1, D, F и G, блокирующих секрецию ацетилхолина из нервной терминали. Под действием токсинов через 18-36 ч часто появляются нарушения со стороны вегетативной нервной системы (сухость во рту, раздвоение в глазах), позже развиваются парезы и параличи скелетной и гладкой мускулатуры. Смерть может наступить от паралича дыхательной мускулатуры.

• Столбняк — острое тяжёлое инфекционное заболевание, протекающее с перемежающимися тоническими и клоническими судорогами скелетной мускулатуры, приводящими к асфиксии. Возбудитель — подвижная анаэробная спорообразующая палочкаClostridium tetani. В ране спора прорастает в вегетативную форму и продуцирует столбнячный нейротоксин (тетаноспазмин). Ретроградным аксонным транспортом нейротоксин попадает в перикарионы нейронов спинного мозга. Механизм действия токсина связан с блокированием секреции тормозных нейромедиаторов, в частности, глицина и g-аминомасляной кислоты, вставочными нейронами (интернейронами), которые в норме подавляют импульсную активность мотонейронов, иннервирующих скелетные мышцы. Поэтому импульсация мотонейронов непрерывно передаётся на мышечные волокна, обусловливая тоническое напряжение мышц, переходящее в судороги. Характерно начало заболевания с судорожного сокращения жевательных мышц. К профилактическим мероприятиям столбняка относятся активная вакцинация в детстве, а также вакцинация сразу после полученной травмы.

• Миастения тяжёлая псевдопаралитическая (myasthenia gravis) — аутоиммунное заболевание, при котором образуются АТ к н-холинорецепторам. Циркулирующие в крови АТ связываются с н-холинорецепторами постсинаптической мембраны мышечных волокон и препятствуют взаимодействию холинорецепторов с ацетилхолином и угнетают их функцию, что приводит к нарушению синаптической передачи и развитию мышечной слабости.

• Миорелаксанты периферического действия широко применяются в анестезиологии.

à d-Тубокурарин — классический антагонист холинорецепторов — обратимо связывается с a–СЕ н-холинорецепторов и таким образом препятствует деполяризующему действию ацетилхолина, вызывая миопаралитический эффект.

à Сукцинилхолин — классический агонист холинорецепторов — конкурирует с ацетилхолином за связывание с н-холинорецепторами. Сукцинилхолин обладает устойчивостью к ферменту ацетилхолинэстеразе, гидролизующей ацетилхолин, что приводит к пролонгированной активации холинорецепторов, сопровождающейся деполяризацией мембраны. Первоначально деполяризация приводит к повторяющимся сокращениям скелетной мускулатуры (тремор). Далее в результате инактивации Na+-каналов наступает миопаралитический эффект.

Злокачественная гипертермия. Применение сукцинилхолина и галотана в анестезиологии может стать причиной злокачественной гипертермии — редкое осложнение при наркозе (смертность до 70%). В результате массированного выхода Ca2+ из саркоплазматического ретикулума появляется мышечная ригидность, повышенный гидролиз АТФ усиливает мышечные сокращения, уровень метаболизма и теплообразование. Температура тела быстро поднимается до 43 °C и выше, происходит генерализованный рабдомиолиз. Лечение включает охлаждение тела больного, ингаляция 100% кислорода, введение препаратов, блокирующих выход Са2+ из саркоплазматического ретикулума.

• Ингибиторы ацетихолиэстеразы усиливают амплитуду и продолжительность ответа холинорецепторов при активации ацетилхолином. В нормальных физиологических условиях ацетилхолинэстераза разрушает ацетихолин, прекращая действие нейромедиатора.

à Физостигмин (растительный алкалоид) и его синтетический аналог простигмин (неостигмин) — обратимые ингибиторы ацетихолиэстеразы — применяются при лечении myasthenia gravis.

à Фосфорорганические соединения. Синтетический препарат диизопропилфлуорофосфат (DFP) и нейротоксин [анатоксин-а(s)] сине-зелёных водорослей (Anaebena flos-aquae) необратимо инактивируют ацетилхолинэстеразу. Отравление домашних животных происходит при употреблении воды из контаминированного сине-зелёными водорослями пруда.

à Фасцикулин — токсин яда змеи мамба — высокоспецифический ингибитор ацетихолиэстеразы.

ПЛАЗМОЛЕММА И ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

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

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

• Ионные каналы, обеспечивающие развитие потенциала действия, рассмотрены в главе 2. m-Конотоксин морской змеи (Conusgeographus) ингибирует потенциалозависимый Na+-канал, что блокирует генерацию потенциал действия, несмотря на секреция ацетилхолина из нервной терминали и активацию холинорецепторов.

• Миотония. Уменьшение Cl–-проводимости плазмолеммы ведёт к электрической нестабильности мембраны мышечных волокон и к развитию миотонии (например, болезни Томсена).

ТРИАДЫ И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА НА САРКОПЛАЗМАТИЧЕСКУЮ СЕТЬ

Волна деполяризации по Т-трубочкам проникает до триад. В области триад мембрана Т-трубочек содержит потенциалозависимые Са2+-каналы L-типа (рецепторы дигидропиридина). Деполяризация мембраны Т-трубочек вызывает в структуре рецепторов дигидропиридина конформационные изменения, передающиеся на рецепторы рианодина (Ca2+-каналы) терминальных цистерн саркоплазматического ретикулума.

• Дефект гена рецептора дигидропиридина CACNL1A3 — причина гипокалиемической формы семейного периодического паралича, характеризующегося генерализованной мышечной слабостью на фоне гипокалиемии.

• Мутации гена рецептора рианодина скелетномышечного типа выявлены при спорадической миопатии (болезнь центрального стержня) и в части случаев злокачественной гипертермии.

САРКОПЛАЗМАТИЧЕСКИЙ РЕТИКУЛУМ И ВЫБРОС CA2+

Активация рецепторов рианодина (Ca2+-канал) приводит к открытию Ca2+-каналов, Ca2+ из Ca2+-депо (саркоплазматическая сеть) поступает в саркоплазму; концентрация Ca2+ в саркоплазме с 10-7 М достигает 10-5 М, что достаточно для связывания этого двухвалентного катиона с тропонином С (TnC) тонких нитей.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТОНКИХ И ТОЛСТЫХ НИТЕЙ

Связывание Ca2+ тонкими нитями. В покое взаимодействие тонких и толстых нитей невозможно, т.к. миозинсвязывающие участки молекул актина заблокированы тропомиозином. При высокой концентрации Ca2+ эти ионы связываются с TnC и вызывают конформационные изменения тропомиозина, приводящие к разблокированию миозинсвязывающих участков молекул актина (рис. 7-14). Головки миозина присоединяются к тонкой нити и изменяют свою конформацию, создавая тянущее усилие — тонкие нити начинают скользить между толстыми.

Рис. 7-14. Ca2+-зависимый механизм регуляции взаимодействия актина с миозином. В покое миозинсвязывающие участки тонкой нити заняты тропомиозином. При сокращении ионы Ca2+ связываются с TnC, а тропомиозин открывает миозинсвязывающие участки. Головки миозина присоединяются к тонкой нити и вызывают её смещение относительно толстой нити [17]

Модель скользящих нитей была предложена Хью Хаксли. Скольжение тонких нитей относительно толстых обеспечивает чередование рабочих циклов. Каждый цикл имеет несколько стадий (рис. 7-15).

Рис. 7-15. Цикл скольжения тонких нитей относительно толстых. Тяжёлый меромиозин выступает над поверхностью толстой нити (1). Благодаря шарнирному участку между тяжёлым и лёгким меромиозинами, головка миозина, несущая продукты гидролиза АТФ (АДФ и Pi), прикрепляется к миозин-связывающему участку актина (2), происходит наклон головки миозина с одновременным растягиванием эластического компонента S2 (3). Из головки освобождаются АДФ и Pi, а последующая ретракция эластического компонента S2 вызывает тянущее усилие (4). Затем к головке миозина присоединяется новая молекула АТФ, что приводит к отделению головки миозина от молекулы актина. Гидролиз АТФ возвращает молекулу миозина в исходное положение. [17]

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 стягивают тонкие нити к центру сaркомера. Скользящие тонкие нити тянут за собой Z-линии, вызывая укорочение сaркомера (рис. 7-16). Поскольку в процесс сокращения практически одномоментно вовлечены все саркомеры мышечного волокна, происходит его укорочение.

Рис. 7-16. Саркомер расслабленного (I) и сокращённого (II) мышечного волокна. При сокращении саркомера свободные концы тонких нитей приближаются к М-линии, уменьшая ширину Н-зоны. Поскольку противоположные концы тонких нитей прикреплены к Z-линиям, то при скольжении тонких нитей возникает тянущее усилие, Z-линии сближаются, что и приводит к уменьшению ширины I-диска. Длина А-диска, соответствующая расположению толстых нитей, не уменьшается, т.к. длина обоих типов нитей (тонких и толстых) при сокращении не изменяется (нити скользят относительно друг друга при постоянной их длине). [17]

РАССЛАБЛЕНИЕ

Ca2+-АТФаза (SERCA) сaркоплазматического ретикулума закачивает Ca2+ из сaркоплазмы в цистерны ретикулума, где Ca2+связывается с кальсеквестрином. При низкой сaркоплазматической концентрации Ca2+ тропомиозин закрывает миозинсвязывающие участки и препятствует их взаимодействию с миозином.

• Фосфоламбан в медленных мышечных волокнах ингибирует Ca2+-АТФазу, поддерживая сокращение. цАМФ-зависимая протеин киназа А путём фосфорилирования фосфоламбана снимает его действие на Ca2+-АТФазу, облегчая таким образом процесс расслабления мышечного волокна.

• Трупное окоченение. 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 утрачивают ригидность.

• Миопатия Броди — недостаточность Са2+-АТФазы саркоплазматического ретикулума, проявляющаяся симптомами мышечной усталости при физической нагрузке.