3.3. Механизмы сокращения и расслабления скелетной мышцы
В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова в 1939 г. установили, что структурный белок миофибрилл — миозин — обладает свойствами фермента аденозинтрифосфатазы, расщепляющей АТФ. Венгерский биохимик А. Сент-Дьёрдьи (1951 г.) воспроизвел сокращение изолированных мышечных волокон in vitro, добавив АТФ к инкубационной среде. Теория мышечного сокращения получила дальнейшее развитие под названием «теории скользящих нитей» (рис.22). В сократительной единице мышцы — миофибрилле — длина саркомера изменяется в результате скольжения миозиновых и актиновых нитей относительно друг друга, но сами нити при этом не укорачиваются. В результате мышечного сокращения длина саркомера сокращается до 1,7 мкм при исходной длине 2,5 мкм.
Рис.22. Сокращение миофибриллы. Теория «скользящих нитей» [13].
Стимулом для сокращения скелетной мышцы является высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечном синапсе в ответ на нервный импульс. Процесс преобразования нервного импульса в мышечное сокращение называется электромеханическим сопряжением. Выделение ацетилхолина вблизи двигательной концевой пластинки скелетной мышцы приводит к возникновению тока концевой пластинки, который распространяется и активирует быстрые потенциалозависимые Na+-каналы в сарколемме, что приводит к возникновению потенциала действия. Возбуждение вызывает деполяризацию сарколеммы, распространяющуюся по Т-тубулярной системе к СР, в мембранах которого открываются потенциалозависимые кальциевые каналы. Ионы кальция выходят из цистерн саркоплазматического ретикулума и накапливаются в саркоплазме около миофибрилл.
Тропониновая субъединица ТнС связывается с ионами кальция, при этом конформация тропонинового комплекса меняется таким образом, что субъединицы ТнI, ТнТ, а также связанный с последней участок молекулы тропомиозина меняют свое положение так, что на молекуле G-актина становится доступным сайт для связывания с головкой молекулы миозина.
В отсутствие АТФ, т. е. в исходном состоянии, головки молекул миозина прочно связаны с актиновыми нитями (рис. 23). При связывании с молекулой АТФ благодаря АТФ-азной активности головки миозина, происходит отделение неорганического фосфата, и энергия макроэргической связи тратиться на изменение угла наклона миозиновой головки в шарнирной области, так, что головка отделяется от одной молекулы G-актина и присоединяется к соседней («гребок»).
Рис.23. Цикл сокращения-расслабления (взаимодействие миозина и актина) [8].
Процесс происходит однонаправленно и циклично для всех миозиновых головок, что в результате приводит к скольжению миозиновых нитей по актиновым и сокращению саркомеров и мышцы в целом. Так, каждый «гребок» 500 миозиновых головок толстого филамента вызывает смещение на 10 нм. Во время сильных сокращений частота «гребков» составляет примерно 5 раз в секунду. При каждом цикле гидролиза АТФ головки миозина взаимодействуют с новыми молекулами актина, за счет чего и происходит взаимное скольжение миозиновых и актиновых филаментов, т. е. сокращение мышечного волокна. Сила сокращения пропорциональна концентрации Са2+ в саркоплазме, чем больше его концентрация, тем больше открывается активных центров на актине и больше к ним присоединяется миозиновых головок.
Прекращение сократительной активности и развитие состояния расслабления наступают вслед за исчезновением электрической активности в нервно-мышечном синапсе. Саркоплазматический кальций возвращается обратно в цистерны саркоплазматического ретикулума с помощью АТФ-зависимого кальциевого насоса. Кальций-зависимая АТФ-аза является одним из основных белков мембраны саркоплазматического ретикулума. За счет гидролиза каждой молекулы АТФ из саркоплазмы выводится два иона кальция. При расслаблении мышцы концентрация ионов кальция в саркоплазме становится в 50-100 раз ниже, чем при сокращении.
Второй механизм связывания ионов кальция – его аккумулирование гликопротеином кальсеквестрином, расположенным в области цистерн саркоплазматического ретикулума. Третий вариант снижения концентрации ионов кальция в саркоплазме – перемещение их в митохондриальный матрикс. В митохондриях имеется активный кальциевый насос, работа которого зависит от хемиосмотического потенциала, формирующегося за счет транспорта электронов.
Актомиозиновый комплекс (контакт головок миозина с молекулами G-актина) существует до тех пор, пор, пока не происходит связывание АТФ. Присоединение молекулы АТФ к головке миозина, дает энергию для разрыва ее контакта с актином, то есть энергия АТФ необходима не только для сокращения, но и для расслабления мышц.
Понимание механизмов сокращения и расслабления мышц позволяет объяснить механизмы таких состояний организма, как тетания и трупное окоченение.
Тетанус, тетания, тетаническое мышечное сокращение – это состояние стойкого максимального сокращения мышцы, может развиваться при длительной, повторяющейся стимуляции мышц, приводящей к значительному снижения содержания АТФ. Тетаническая стимуляция мышц приводит к нарастанию в саркоплазме концентрации ионов кальция и резкому снижению уровня АТФ. Следовательно, в данном состоянии головки молекул миозина прочно связаны с актиновыми нитями и их последующего отделения, то есть расслабления мышцы не происходит.