2 курс / Нормальная физиология / Общие_свойства_возбудимых_тканей_

Рис. 33. Вверху: изменение мембранных потенциалов в терминали аксона мотонейрона, на постсинаптической мембране мышечного волокна, на мембране мышечного волокна.

Внизу: механизм выделения ацетилхолина и активация натриевых каналов

101

2.Ионы Са++, взаимодействуя со специальными белками — синапсинами, активируют экзоцитоз гранул с медиатором.

3.Ацетилхолин выделяется в синаптическую щель и взаимодействует с никотиновыми холинорецепторами (Н) на мембране мышечного волокна (постсинаптическая мембрана). Избыток медиатора разрушается АХ холинэстеразой до уксусной кислоты и холина. Связывание АХ с рецепторами приводит к открытию каналов для ионов, в результате ион натрия поступает в клетку, происходит деполяризация мембраны и возникает потенциал концевой пластинки

(ПКП).

4.Потенциал действия возникает на соседнем участке мембраны

втом случае, если разность потенциалов между зарядом мембраны на этом участке и на постсинаптической мембране достигнет такой величины, чтобы деполяризовать мембрану до критического уровня деполяризации. Как правило, в нервно-мышечных синапсах амплитуда ПКП всегда высока, не требует суммации и а всегда вызывает ПД.

5.ПД быстро распространяется по всей мембране мышечного волокна.

Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине клетки (электромеханическое сопряжение) включает в себя несколько последовательных

процессов, ключевую роль в которых играют ионы Ca++.

Прежде, чем обсуждать роль ионов кальция в сокращении, остановимся на строении и функциональной характеристике сократительных и регуляторных белков саркомера.

Структурно-функциональная единица миофибриллы мышечного волокна — саркомер — содержит толстые и тонкие миофиламенты.

Толстые миофиламенты образованы молекулами миозина, которые имеют четыре легкие цепи миозина и две тяжелые цепи, скрученные между собой. Тяжелые цепи миозина образуют головку миозина и шейку. Головка обладает АТФ-азной активностью, а шейка — эластическими свойствами. В толстой филаменте 150 молекул миозина. Под электронным микроскопом на толстой миофиламенте видны выступы, расположенные под углом 120о. Они получили название поперечных мостиков. Выяснилось, что эти мостики образованы головкой и шейкой молекул миозина, их длина 20 нм.

102

Толстый филамент (миозин)

Толстая миофиламента построена из молекул миозина

тропомиозин тропонин актин

Тонкие миофиламенты

Рис. 34. Уровни организации скелетной мышцы

103

Тонкие миофиламенты построены из глобулярных молекул белка актина. Мономеры актина взаимодействуют между собой и образуют фибриллярный актин. Актиновые филаменты представляют собой закрученную двойную спираль (похожи на две связки бус, которые перекручены, с шагом в 14 молекул, примерно 36,5 нм). Таких нитей в саркомере — 2000. Эти нити одним концом прикреплены к Z-пластинке, а второй конец достигает середины саркомера.

В продольных бороздках актиновой спирали располагаются нитевидные молекулы белка тропомиозина. Тропомиозин закрывает активные центры на актиновых нитях. К молекуле тропомиозина равномерно прикреплены молекулы тропонина. Этот белок может связывать катионы Са++.

Актин и миозин — это сократительные белки, а тропонин и тропомиозин — регуляторные.

На рис. 35: а) тропонин-тропомиозиновый комплекс закрывает активные центры на молекуле актина; б) при повышении концентрации ионов Са++ с 10-8 до 10-5 моль молекула тропонина, чувствительная к Са++, меняет свою конформацию так, что выталкивает тропомиозин и освобождает активные участки на молекуле актина. Головки миозина прикрепляются к активным участкам тонкой миофиламенты, в этот момент резко меняется положение головки миозина, и она совершает гребковое движение. Благодаря этому тонкая миофиламента протягивается по направлению к центру саркомера примерно на 10 нм, происходит сближение Z полосок и укорочение мышцы.

Обратите внимание на использование энергии АТФ в циклических гребковых движениях (рис. 37). После завершения гребкового движения положение головки изменилось. Присоединение АТФ сопровождается отщеплением головки от актиновой миофиламенты, затем происходит гидролиз АТФ, высвобождение энергии и возвращение головки миозиновой молекулы в исходное состояние. Головка вновь готова к контакту, однако соединяется уже со следующим активным центром и протягивает его с помощью очередного гребка. Таким образом, циклические движения тысяч головок миозина протягивают тонкие миофиламенты вдоль толстых.

На рис. 36 представлен механизм повышения концентрации ионов кальция в цитоплазме и их роль в освобождении активных центров на молекулах актина. В результате становится возможен кон-

104

такт головки миозина с тонкой миофиламентой. Гребковые движения, которые циклически выполняет головка с шейкой миозина, обеспечивают передвижение актиновых нитей относительно миозиновых, сближаются Z-полоски, мышца укорачивается.

(а) расслабление

Головка миозина

АДФ

Тропонин Рi

T

(b) Начало сокращения — электромеханическое сопряжение

Рис. 35. Роль регуляторных белков в сокращении мышц

105

Рис. 36. Роль кальция в сокращении мышц

106

Этапы генерирования сокращения скелетной мышцы

I) Потенциал действия пресинаптического окончания приводит к выделению медиатора. Кроме деполяризации мембраны пресинаптического волокна в процессе выделения медиатора большую роль играет входящий ток ионов Ca++, который также вызывается деполяризацией пресинаптической мембраны.

II) Возникновение ПКП на постсинаптической мембране. III) Возникновение ПД — возбуждение мембраны.

IV) Электромеханическое сопряжение:

1)проведение возбуждения по Т-системе;

2)деполяризация мембраны саркоплазматического ретикулума (СПР) и активация кальциевых каналов;

3)высвобождение Ca++ из СПР;

4)взаимодействие Са++ с тропонином актиновых миофиламентов: под влиянием Са++ молекулы тропомиозина глубже опускаются в желобки между цепочками мономеров актина, открывая участки прикрепления для поперечных мостиков миозина;

5)контакт головки миозина с активным центром.

V) Скольжение актиновых миофиламентов относительно миозиновых осуществляется благодаря «гребковым» движениям головок миозина; циклическая активность миозиновых поперечных мостиков — с расщеплением АТФ.

VI) Сближение Z полосок и укорочение саркомера.

Расслабление мышцы происходит пассивно, благодаря ее эластичности. Если к мышечному волокну не поступают импульсы возбуждения, ионы кальция больше в цитоплазму не выделяются. Имеющиеся в цитоплазме волокна ионы кальция перекачиваются в цистерны саркоплазматического ретикулюма с помощью кальциевой АТФ-азы — кальциевого насоса, который использует энергию АТФ для транспорта кальция из цитоплазмы в цистерны и в окружающую клетку среду против градиента концентрации. Снижение концентрации кальция приводит к блокированию тропомиозином активных центров, контакт с головкой миозина невозможен, эластические компоненты мышечного волокна возвращают мышцу в исходное состояние.

108

Режимы мышечного сокращения

При раздражении мышцы одиночным импульсом тока пороговой или надпороговой силы возникает одиночное мышечное сокращение (рис. 36), в котором различают латентный период (≈ 5–10 мс),

фазу укорочения (≈ 50 мс) и фазу расслабления (≈ –70 мс) — эти цифры различны в разных мышечных волокнах. Мышечному сокращению предшествует процесс возбуждения — ПД.

Попытаемся сопоставить во времени процессы возбуждения и сокращения поперечно-полосатой мышцы.

На верхнем графике представлено изменение мембранного потенциала, следовательно, процесс возбуждения; на нижнем — изменение длины мышцы, следовательно, процесс сокращения. Возбуждение возникает на мембране мышечного волокна, распространяется и вызывает выход кальция в саркоплазму. В это время сокращения еще нет (латентный период). Изменение длины мышцы отражает процессы, происходящие в саркоплазме. Мышца начинает укорачиваться в результате электро-механического сопряжения. На кривой одиночного мышечного сокращения можно выделить фазы укорочения и расслабления мышцы. Обратите внимание на то, что длительность одиночного мышечного сокращения значительно превышает длительность ПД. Эта величина отличается для различных групп мышц, но в целом длительность одиночного сокращения скелетных мышц лежит в пределах 50–150 мсек.

Возбудимость мышцы во время одиночного мышечного сокращения изменяется в соответствии с фазами потенциала действия: мышца невозбудима в период абсолютной рефрактерности, соответствующий пику ПД. По времени этот период приблизительно совпадает с латентным периодом в мышечном сокращении. Следовательно, во время одиночного мышечного сокращения возбудимость скелетной мышцы остается на нормальном уровне, а значит, мышца может от-

ветить на раздражение в течение всего времени одиночного сокращения.

109

Рис. 38. Временная характеристика процессов возбуждения и сокращения

Амплитуда одиночного сокращения всей скелетной мышцы зависит от количества сократившихся двигательных единиц. Возбудимость отдельных групп волокон, составляющих целую мышцу, различна и поэтому пороговая сила тока вызывает сокращение лишь наиболее возбудимых волокон. Амплитуда такого сокращения незначительна. Амплитуда сокращения становится максимальной тогда, когда в процесс возбуждения вовлекаются все мышечные волокна, когда превышен порог раздражения всех двигательных единиц, составляющих мышцу. В этом случае регистрируется максимальная амплитуда сокращения, которая не увеличивается при дальнейшем нарастании силы раздражающего тока.

Если интервал между раздражениями превышает длительность одиночного сокращения, мышца успевает полностью расслабиться. Однако если увеличить частоту импульсов тока, то каждый последующий импульс совпадает с фазой расслабления мышцы. Поскольку мышцавэтотпериодимеетнормальнуювозбудимость,тоамплитуда

110