биофизика

а б

Рис. 5.9. Механизм скольжения – продольного перемещения микрофилментов относительно центральной миозиновой нити: а – положение головок миозина при низкой концентрации Са+ в миоплазме, б – положение головок миозина (сгибание в шарнирном соединении головок с двунитчатым стеблем миозиновой молекулы) при повышении содержания Са+ в миоплазме. Стрелками указано направление перемещения актиновых нитей.

Однократное прикрепление миозиновой головки к актиновому филаменту укорачивает саркомер на 1% его первоначальной длины и развивает силу в 3 – 5 пиконьютонов с КПД примерно 20%. При многократном актин-миозиновом взаимодействии, что и происходит в естественном мышечном сокращении, каждый саркомер укорачивается пропорционально укорочению всей мышцы. Сокращение мышцы не приводит к изменению собственной длины ни толстых, ни тонких нитей. Сохраняя свои размеры и характер упаковки образующих их субъединиц, они скользят друг относительно друга. Теория скользящих нитей, сформулированная в 1954 г. А. Хаксли и Г. Хаксли, подтверждена многими экспериментами. Иногда её формулируют как теорию лазания или теорию гребков, но принципиально существо современных представлений о механизме мышечного сокращения не изменилось за истекшие полвека: максимальная сила сокращения мышцы пропорциональна степени взаимного перекрытия толстых и тонких нитей. При уменьшении длины саркомера укорачивается только I-диск, тогда как А-диск не изменяет своих размеров.

91

Рис. 5.10. Перемещение актиновых нитей относительно окружённой ими миозиновой нити: а – расслабление; б – сокращение

Для максимального сокращения саркомера миозиновые мостики должны совершить примерно 50 гребков. Дискретность процесса скольжения обеспечивает дозирование степени сокращения. Оно определяется количеством одновременно замкнутых поперечных мостиков, тогда как его скорость зависит от частоты их замыкания (от числа замыкаемых мостиков в единицу времени). Скорость укорочения миоцитов скелетных мышц составляет 10 – 20 мкм с-1, а кардиомиоцитов – на порядок меньше.

Как уже говорилось, саркомер может быть растянут до 3,6 – 3,8 мкм. Тогда мышечное волокно не развивает никакого напряжения. Обычно при естественном расслаблении мышцы длина саркомера составляет около 2,5 мкм. Мышца развивает максимальную силу, когда саркомер укорачивается до 2,0 – 2,2 мкм. Однако его длина может уменьшаться и до 1,5 – 1,6 мкм. В таком случае напряжение мышцы ослабевает, поскольку концы миозиновых филаментов упираются в Z-полоску (актин-дисминовую сеть), что приводит к нарушению правильной ориентации миозиновых мостиков относительно актиновых филаментов и ослаблению тянущего усилия.

Источником энергии, необходимой для мышечной деятельности, служат реакции окисления субстратов клеточного дыхания, в ходе которых образуются макроэрги (АТФ). Для мышечного сокращения необходим гидролиз АТФ. КПД сократительной деятельности мышц примерно 20%. Таким образом, в работающей мышце пятая часть химической энергии преобразуется в механическую, а 80% выделяется в виде тепла. Энергетические процессы в мышцах неодинаковы при одномоментном (кратковременном) усилии и при длительной работе. Кратковременное мышечное сокращение происходит за

92

счёт запасов АТФ в волокне, тогда как продолжительная мышечная деятельность требует пополнения АТФ при помощи интенсификации окислительного фосфорилирования в процессе совершения этой работы. Субстраты клеточного дыхания и кислород поступают в мышечное волокно из крови. Поэтому при тренировке выносливости (способности совершать длительную работу) необходимо развивать прежде всего хорошее кровоснабжение мышц. При тренировке силы (способности совершать значительную работу за короткое время, то есть работать с высокой мощностью) требуется увеличение числа миозиновых мостиков, которые могут синхронно включаться в сократительный акт. Это качество, необходимое, например, штангистам, достигается главным образом путем значительного утолщения мышечных волокон за счёт увеличения количества актиновых и миозиновых протофибрилл в волокне. Сами миоциты дифференцированы и не способны к делению. При нагрузке развивается их гипертрофия, а не гиперплазия.

Как следует из сказанного, для обеспечения молекулярного механизма взаимодействия актиновых и миозиновых нитей необходимы как макроэрги, так и ионы кальция. Именно Са2+ является важнейшим компонентом электромеханического сопряжения (рис. 5.11).

Миофибриллы начинают сокращаться, когда вокруг них в цитозоле концентрация свободных ионов кальция станет равна (0,4 – 1,5) 10-6 моль. Максимальное сокращение мышечного волокна происходит при её повышении до 5 10-6 моль. Между тем, в покое концентрация Са2+ в цитозоле мышечного волокна не превышает 10-7 моль. Для возникновения сокращения скелетной мышцы ионы кальция должны поступить к миофибриллам из саркоплазматической сети (СПС). Так называют систему пузырьков и цистерн, отделённых мембранами от остальной саркоплазмы. СПС занимает примерно 10% объёма мышечного волокна, а суммарная площадь её мембран в миоците приблизительно в 100 раз больше поверхности сарколеммы. СПС служит кальциевым депо в мышечном волокне – содержание в ней ионов кальция достигает 10-2 моль. Следовательно, на мембране СПС поддерживается колоссальный градиент Са2+, но в покое она совершенно непроницаема для этого иона.

СПС расположена поблизости от миофибрилл, причём в электромеханическом сопряжении важнейшую роль играют её цистерны, примыкающие к диску Z. Здесь же находятся впячивания сарколеммы внутрь волокна, имеющие форму трубочек диаметром около 50 нм. Они образуются за счёт того, что сарколемма во многих местах “ныряет” вглубь и заканчивается в саркоплазме слепыми концами наподобие пальцев вывернутой

93

перчатки. Такой мешочек (трубочка) идёт поперек волокна, достигая в длину более 10 мкм. В мышечном волокне диаметром 80 мкм, имеющим форму цилиндра, мембраны этих трубочек образуют поверхность, суммарная площадь которой в 2,5 раза превосходит поверхность плазмолеммы миоцита. В зоне Z-диска каждая трубочка вместе с двумя соседними цистернами СПС образует так называемую Т-систему. Они окружают каждую миофибриллу. Т-система с миофибриллой служат основным звеном в электромеханичеком сопряжении.

Рис. 5.11. Фрагменты структуры миоцита (А, Б) и схема электромеханического сопряжения (В): а – состояние покоя; б – момент сокращения мышцы; в – расслабление мышцы. Обозначения: Т – Т-трубочка; СПС – цистерна сакроплазматической сети; стрелки – пассивный транспорт Са2+ по каналам; стрелки с кружком – активный транспорт кальциевой помпой; А – анизотропные диски; I – изотропные диски; СЛ – сарколемма; Z – Z-диск; числами обозначены концентрации ионов кальция (моль)

94

Сигналом к сокращению скелетной мышцы являются нервные импульсы, поступающие из спинного или головного мозга к концевой моторной пластинке (нервномышечному синапсу). Далее следует синаптическая передача с участием ацетилхолина и холинорецепторов. Потенциалы действия, образовавшиеся на внесинаптических участках сарколеммы под действием потенциала концевой пластинки, распространяются бездекрементно по всей плазматической мембране мышечного волокна, проникая и в Т- систему (по мембране трубочки). С трубочки деполяризация распространяется на мембрану СПС и открывает в ней потенциалзависимые кальциевые каналы. Через открывшиеся каналы Са2+ пассивно (в сторону более низкого электрохимического потенциала) устремляется из цистерн СПС в саркоплазму и достигает миофибрилл. Около них создаётся достаточная для замыкания миозиновых мостиков концентрация ионов кальция.

Выход кальция из СПС прекращается сразу вслед за реполяризациией сарколеммы, но миофибриллы пребывают в сокращённом состоянии до тех пор, пока содержание кальция подле них не снизится до 10-7 моль. Для этого Са2+ должен возвратиться в СПС, но такой транспорт приходится осуществлять вопреки действию огромного концентрационного градиента. Следовательно, расслабление миофибрилл в миоците скелетных мышц после их сокращения невозможно без участия системы активного транспорта – кальциевой помпы. Её работа – неотъемлемый элемент сократительного процесса в мышце. Из мембраны СПС выделена Са-активируемая АТФаза, которая служит основным компонентом кальциевого насоса. Таким образом, электромеханическое сопряжение включает цепь последовательно идущих процессов: распространение ПД по сарколемме деполяризация мембран трубочек Т-системы открытие кальциевых каналов в мембране СПС выход Са2+ из цистерн СПС в цитозоль мышечного волокназамыкание миозиновых мостиков. Расслабление мышцы связано с реполяризацией сарколеммы и последующей активизацией работы кальциевого насоса, локализованного в мембране СПС.

Биомеханические свойства скелетных мышц

Одиночное мышечное волокно при сокращении развивает силу порядка 2 10-3 Н. В мышцах человека содержится примерно 3 107 волокон. Если бы все они сократились одновременно и в одном направлении, то смогли бы создать колоссальное усилие – до

6 104 Н.

95

Сила мышцы зависит от количества содержащихся в ней волокон. Поскольку их трудно подсчитать, обычно измеряют поперечное сечение мышцы, которое пропорционально числу волокон, и по нему судят о её силовых возможностях. Для этого нужно определить не геометрическое, а физиологическое поперечное сечение, под которым понимают сумму поперечных сечений всех волокон, образующих данную мышцу. В мышце, все волокна которой идут параллельно продольной оси и своими концами прикрепляются к костям (непосредственно или через сухожилия), геометрическое и физиологическое сечения совпадают. Такие мышцы при сокращении испытывают значительное укорочение, но развивают малую силу (выигрыш в расстоянии, но проигрыш в силе).

В мышцах другого типа волокна располагаются косо по отношению к продольной оси и прикрепляются с обеих сторон к сухожилию, которое тянется вдоль неё на всем протяжении мышцы. Волокна таких (перистых) мышц намного короче самой мышцы. Физиологическое поперечное сечение перистых мышц больше геометрического. При мышечном сокращении сухожилие перемещается на малое расстояние, но при этом развивается значительное тяговое усилие (выигрыш в силе при проигрыше в расстоянии). Соотношение сил, развиваемых мышцами с параллельным ходом волокон, и перистыми,

мышцы, F2 – сила сокращения мышцы с параллельным расположением волокон, l – длина мышцы в покое, n – доля этой длины при сокращении, b – средняя толщина мышцы, α – угол между сухожилием и волокнами перистой мышцы.

Лишь немногие скелетные мышцы могут сокращаться более чем до 70% первоначальной длины, то есть до n = 0,7. Если в перистой мышце угол α был бы равен 45 (Sin α = 0,7), то сила, направленная вдоль сухожилия, обращалась бы в 0, поскольку сократившиеся волокна располагались бы перпендикулярно сухожилию. Обычно в перистой мышце 30 . Она сильнее мышцы с параллельным ходом волокон при условии, что 0,9 l > b. Перистые мышцы практически не утолщаются.

Отношение максимального веса груза, который может поднять мышца, к её физиологическому поперечному сечению называется абсолютной мышечной силой и выражается в единицах напряжения (Н м-2 = Па). Абсолютная мышечная сила большинства скелетных мышц человека имеет порядок 106 Па, а гладких – 105 Па.

96

Сокращения скелетных мышц обеспечивают человеку, во-первых, поддержание определённой позы, для чего необходимо противодействовать прежде всего силе земного притяжения, во-вторых, перемещение частей тела друг относительно друга, в-третьих, передвижение человека в пространстве. Перечисленные процессы осуществляются при разной степени укорочения скелетных мышц. По этому признаку различают три типа

мышечных сокращений: изометрический, изотонический, ауксотонический (или анизотонический).

При изометрическом сокращении длина мышцы почти не изменяется (теоретически – вообще не изменяется), и вся сила затрачивается на развитие напряжения, то есть на совершение статической работы (в частности, на поддержание позы). Для исследования этого типа сокращения мышцы её концы удерживают при возбуждении в том положении, какое им было свойственно в покое (рис. 5.12, а). Тогда в возбуждённой мышце развивается значительное напряжение, которое затем уменьшается по экспоненциальному закону.

При изотоническом сокращении (рис. 5.12, б) мышечные волокна укорачиваются в условиях постоянной (неизменной) внешней нагрузки. Происходит быстрое укорочение мышцы, сменяющееся расслаблением.

Между нагрузкой (P) и скоростью укорочения (υ) мышцы при её изотоническом сокращении установлена следующая зависимость – уравнение Хилла: (P + a)υ = b(P0 – P), где а, b и P0 – константы. Произведение a υ отображает теплопродукцию мышцы за единицу времени (так называемая тепловая мощность); произведение P υ выражает полезную мощность. Следовательно, левая часть уравнения в целом характеризует полную мощность изотонического мышечного сокращения. Величина P0 соответствует максимальной нагрузке, которую мышца ещё может удержать, но уже не в состоянии поднять (передвинуть). Другими словами, P0 – максимальная сила, развиваемая мышцей в изотоническом режиме. Когда нагрузка мало отличается от максимальной (P0), мышца не может развить высокую скорость сокращения. Напротив, при слабой нагрузке скорость сокращения достигает максимума.

Исследования изотонического сокращения показали, что при одинаковой исходной длине мышцы: а) степень и скорость укорочения тем больше, чем меньше нагрузка; б) укорочение достигает своего максимума тем раньше, чем больше нагрузка; в) чем больше нагрузка, тем позже после стимуляции начинается укорочение и тем раньше оно оканчивается. Эти особенности изотонического сокращения мышцы объясняются

97

следующим образом. После одиночной стимуляции мышца вначале сокращается в изометрическом режиме. В это время сократительный элемент, укорачиваясь, растягивает последовательный упругий элемент. После того как изометрическая сила мышцы (активное напряжение) достигает массы груза, мышца начинает укорачиваться, поднимая груз. Чем больше груз, тем меньше изотоническое укорочение мышцы. И если величина груза будет равна максимальному изометрическому напряжению, то никакого укорочения мышцы не произойдет. Таким образом, подбором груза можно при данной длине мышцы определить ее максимальное изометрическое напряжение.

Рис. 5.12. Схема проведения опытов по изучению изометрического (а) и изотонического (б) режимов мышечного сокращения и зависимость скорости укорочения (υ) скелетной мышцы от нагрузки (F) на неё при изотоническом сокращении (в): Обозначения: S – электроды для стимуляции двигательного нерва; 1 – тугая пружина с датчиком напряжения; 2 – свободно поднимаемый груз

При изотоническом сокращении мышцы она, укорачиваясь, поднимает груз и, таким образом, выполняет внешнюю работу. Величина этой работы равна произведению степени укорочения мышцы на величину поднимаемого груза.

Кривую: «укорочение — нагрузка» можно получить двумя путями. В первом случае мышца предварительно растягивается грузом и, таким образом, исходная ее длина будет различной в зависимости от величины груза. Это показано на рисунке кривой

98

напряжения покоя (1). Предположим, что при нагрузке 120 г на кривой 1 длина мышцы соответствует точке А. При тетаническом раздражении мышцы она укорачивается до длины, показанной на рисунке точкой Б. Подвешивая к мышце различные грузы, получаем кривую 2 изотонических максимумов.

Рис. 5.13. Изотоническое сокращение мышцы: а—установка для регистрации изотонического сокращения: 1 — мышца; 2 — стимулятор; 3 — показатель длины мышцы; 4 — груз; 5 — ось крепления рычага; 6—винт, ограничивающий натяжение мышцы; б — зависимость между нагрузкой Р и длиной L мышцы: 1 — кривая пассивного напряжения (исходная длина мышцы — 2,5 см); 2— кривая изотонических максимумов; 3

— кривая постнагрузочных изотонических максимум расслабления.

Во втором случае исследуется укорочение мышцы при различных нагрузках, но исходная длина мышцы сохраняется постоянной—метод постнагрузочного сокращения. Пассивное растяжение мышцы под влиянием груза предотвращается стопорным винтом, как это показано в верхней части рисунка 5.16. Таким путем получаем кривую 3 постнагрузочных изотонических максимумов. При каждой нагрузке в мышце в ответ на раздражение развивается сначала изометрическое напряжение. Когда последнее достигает величины груза, мышца начинает укорачиваться, производя работу. Как видно из рис. 5.13, при нагрузке, например, 90 г выполненная мышцей работа будет равна площади фигуры ОВВ'Г. При нагрузках ~ 160 и 30 г работа мышцы будет равна площади фигур ОДД'Е и ОЖЖ'З соответственно. Площадь ОВВТ больше, чем площадь ОДД'Е или ОЖЖ'З.

Таким образом, максимальную работу мышца выполняет при умеренной и средней нагрузках. Увеличение или уменьшение нагрузки ведет к уменьшению работы, а при

99