2 курс / Нормальная физиология / Основы_физиологии_человека_Том_1_Агаджанян_Н_А_ред_2012

Кроме нейромедиаторов пресинаптические окончания выделяют вещества, которые не участвуют непосредственно

впередаче сигнала и играют роль нейромодуляторов эффектов сигнала. Модуляция осуществляется влиянием либо на выделение медиатора, либо на его связывание рецепторами постсинаптического нейрона, а также на реакцию этого нейрона на медиаторы. Функцию классических медиаторов выполняют амины и аминокислоты, функцию нейромодуляторов – нейропептиды. Медиаторы синтезируются в основном

втерминалях аксона, нейропептиды образуются в теле ней-

59

рона путем синтеза белков, от которых они отщепляются под влиянием протеаз.

Синапсы с химической передачей возбуждения обладают рядом общих свойств: возбуждение через них проводится только в одном направлении (так как медиатор выделяется только из пресинаптической мембраны и взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны), передача возбуждения через синапсы осуществляется медленнее, чем по нервному волокну (в связи с синаптической задержкой). Синапсы имеют низкую лабильность, в них происходит трансформация ритма возбуждения; они обладают высокой утомляемостью и чувствительностью к химическим (в том числе и к фармакологическим) веществам.

Физиология мышц

В процессе эволюции у животных возникли клетки и ткани, главной функцией которых является движение. Мышцы обеспечивают перемещение тела и его частей в пространстве, сохранение позы, а также механическую защиту и работу большинства внутренних органов (насосная функция сердца, тонус сосудов и бронхов, перистальтика желудочнокишечного тракта, тонус сфинктеров и т.д.), они участвуют в теплопродукции, являются депо гликогена и белков. Мышцы составляют 40–50% массы тела.

Различают три типа мышц: поперечно-полосатые скелетные мышцы; поперечно-полосатые мышцы сердца; гладкие мышцы.

Мышцы обладают следующими физиологическими свойствами: 1) возбудимостью, т.е. способностью возбуждаться при действии раздражителей; 2) проводимостью – способностью проводить возбуждение; 3) сократимостью – способностью изменять свою длину или напряжение при возбуждении; 4) растяжимостью – способностью изменять свою длину под действием растягивающей силы; 5) эластичностью – способностью восстанавливать свою первоначальную длину после прекращения растяжения (табл. 2.2.).

60

Таблица 2.2

Сравнительная характеристика свойств мышц (скелетной, сердечной и гладкой)

Поперечно-полосатые скелетные мышцы

Скелетные мышцы обычно присоединяются к кости в двух местах, к одной неподвижной и одной подвижной части скелета, первую часть называют «началом» мышцы, а вторую – «прикреплением». Мышца прикрепляется с помощью плотных, малорастяжимых сухожилий – соединительнотканных образований, состоящих из коллагеновых волокон. Один конец сухожилия переходит в наружную оболочку мышцы, а другой очень прочно прикреплен к надкостнице.

Структура мышц. Скелетные мышцы состоят из пучков мышечных волокон (длинных многоядерных клеток). В процессе эмбрионального развития цитоплазма отдельных клеток соединялась, ядра становились общими – образовывались длинные многоядерные волокна (симпласты), из которых и состоит поперечно-полосатая скелетная ткань. Непосредственно под мембраной волокна (т.е. на его периферии) расположены многочисленные продолговатые ядра, в цитоплазме расположены миофибриллы, а в промежутках между ними находятся многочисленные митохондрии, эндоплазматический ретикулум и другие органеллы.

Мышечное волокно заполнено миофибриллами – цилиндрическими образованиями, состоящими из толстых и тонких нитей сократительных белков – актина и миозина.

61

В миофибриллах скелетных мышц и сердечной мышцы наблюдается правильное чередование светлых и темных участков. Благодаря этому они выглядят поперечно-полосатыми

(рис. 2.19).

Рис. 2.19. Схематическое изображение мышцы

Скелетная мышца (А) состоит из мышечных волокон (Б), каждое из них состоит из миофибрилл (В). На миофибрилле (Г) видно чередование светлых актиновых I-дисков и темных миозиновых А-дисков, внутри А-диска видна более светлая Н-зона. Миофибрилла содержит толстые и тонкие миофиламенты (Д). На рисунке показан один саркомер, ограниченный

сдвух сторон Z-линиями:

1– изотропный диск; 2 – анизотропный диск; 3 – участок с меньшей анизотропностью. Поперечный срез миофибриллы (4) дает представление о гексагональном распределении толстых и тонких миофиламентов

62

Структура саркомера. Каждая миофибрилла состоит из одинаковых повторяющихся элементов – саркомеров. Саркомер ограничен с двух сторон Z-дисками. К этим дискам с обеих сторон прикрепляются тонкие актиновые нити (филаменты). Филаменты актина обладают низкой плотностью, поэтому под микроскопом кажутся более светлыми. Так как актин неспособен дважды преломлять проходящий через него луч света (изотропность), эти области, располагающиеся с обеих сторон от Z-диска, называются изотропными зонами (I-зоны). В середине саркомера располагается система толстых нитей, построенных из миозина. Эта часть саркомера содержит нити и миозина и актина и обладает большей плотностью. Так как миозин способен дважды преломлять проходящий через него луч света (анизотропность), эту более темную область назвали анизотропной зоной (А-зона). Если мышца расслаблена, то в середине А-зоны можно увидеть более светлую Н-зону, в которой расположены только нити миозина. В центре Н-зоны имеется сеть опорных белков (М- линия), которая соединяет центральные части толстых филаментов. От Z-диска отходят тонкие нити из белка титина, которые связаны с толстыми филаментами, они поддерживают расположение толстых филаментов в середине саркомера. В состоянии покоя концы толстых и тонких фи-ламентов лишь незначительно перекрываются на уровне А-диска.

Строение филаментов. Два конца каждого толстого филамента образованы из множества молекул миозина, ориентированных так, что концы их хвостов направлены к центру филамента, где они соединяются сетью опорных белков (М-линия) в единую структуру. Молекула миозина состоит из шести полипептидных цепей: двух тяжелых и четырех легких. У каждой тяжелой цепи есть длинный спирализованный хвост и маленькая грушевидная головка. Хвосты тяжелых цепей соединяются друг с другом за счет электростатических взаимодействий и скручены между собой наподобие каната, поэтому обладают высокой жесткостью. Головки располагаются на цилиндрической поверхности филамента (образованной хвостами молекул миозина) в виде выступов

63

(поперечных мостиков), которые могут дотягиваться до нитей актина и вызывать скольжение нитей актина относительно миозина. В месте перехода грушевидной головки тяжелой цепи миозина в спиральный хвост (область шейки) располагаются легкие цепи миозина, которые влияют на способность миозина взаимодействовать с актином.

Актиновые нити состоят из фибриллярного актина (F-актина) и похожи на две скрученные нитки бус. Каждая бусина это мономер актина (глобулярный актин, G-актин). Так как нити актина перекручены друг относительно друга, с двух сторон образуются канавки, в глубине которых размещается белок тропомиозин. Молекула тропомиозина контактирует с семью мономерами актина, а также с предыдущей и последующей молекулами тропомиозина, образуя внутри всей канавки актина непрерывную структуру из молекул тропомиозина. Кроме того, на актине располагается белок тропонин (тропониновый комплекс), имеющий форму запятой. Он состоит из трех компонентов: тропонин С, способный связывать Са2+; тропонин I, который может подавлять гидролиз АТФ, и тропонин Т, прикрепляющий тропонин к тропомиозину. Один тропониновый комплекс приходится на семь мономеров актина.

Механизм мышечного сокращения

В основе сокращения мышц (саркомеров) лежит взаимное перемещение двух систем нитей, образованных актином и миозином, причем сами нити своей длины не изменяют –

теория скользящих нитей (Х. Хаксли, Д. Хансон, 1954).

Мышца укорачивается в результате сокращения множества саркомеров, соединенных последовательно в миофибриллах. В головке миозина имеются три основные части: АТФ-связывающий центр, центр связывания актина, а третья образует каркас головки. Она соединена шарнирным сочленением со спиральным хвостом тяжелых цепей миозина. Центр, связывающий актин, напоминает челюсти. Расщепление АТФ вызывает их периодическое открытие или закрытие.

64

Цикл работы поперечных мостиков. В исходном со-

стоянии актинсвязывающие центры сближены (челюсти закрыты), «головка» прочно взаимодействует с актином и расположена под углом 45° относительно нити актина. При взаимодействии с АТФ актинсвязывающие участки удаляются друг от друга, и «головка» отходит от нити актина. В ней происходит гидролиз АТФ, что приводит к изменению расположения «шейки» (она занимает положение, перпендикулярное нити актина). После этого «головка» миозина вновь способна взаимодействовать со следующим мономером актина. Соединение с актином вызывает структурные изменения в «головке» миозина, выбрасывается неорганический фосфат, который образовался при расщеплении АТФ. Одновременно «головка» миозина наклоняется (занимает положение под углом 45°) по отношению к нити актина, притягивая нить актина. После этого из «головки» выбрасывается другой продукт реакции – АДФ. Цикл заканчивается, и «головка» переходит в исходное состояние (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Схема саркомера, иллюстрирующая теорию скользящих нитей и цикл работы поперечных мостиков:

А – модель механизма движения: миозиновая нить с поперечными мостиками, прикрепленными к соседним актиновым нитям (вверху – до, внизу – во время «гребковых движений» мостиков); Б – модель механизма создания силы поперечными мостиками (слева – до, справа – во время «гребковых движений» мостика) (Р. Шмидт, Г. Тевс, 1985)

65

Таким образом, во время сокращения каждая головка миозина может связывать миозиновую нить с актиновой, образуя поперечный мостик. АТФ гидролизуется в активном центре, расположенном в головках миозина. Гидролиз сопровождается изменением ориентации головок миозина и перемещением нитей актина к середине саркомера. Сокращение обеспечивается специальными Са-связывающими белками (тропонин и тропомиозин).

В состоянии расслабления концентрация Са2+ в цитоплазме мала, молекулы тропонина расположены на нитях актина, а в желобках между двумя нитями актина лежат нити тропомиозина, которые предотвращают прикрепление поперечных мостиков миозина к актиновым нитям и они не могут генерировать тянущее усилие.

Рис. 2.21. Механизм активации взаимодействия миозина с актином:

А– изображение актиновой и миозиновой нитей на продольном сечении;

Б– поперечное сечение волокна. Когда кальций связывается с тропонином, тропомиозин смещается в желобке между двумя субъединицами актиновой нити, открывая участки для прикрепления головок мизина

(Р. Шмидт, Г. Тевс, 1985)

При повышении концентрации Са2+ происходит его соединение с тропонином С. Тропонин С образует комплекс с тропонином I, в результате тропонин I отходит от актина. Тропомиозин ничто не удерживает на поверхности актина и он перемещается на дно канавки (рис. 2.21). Это увеличивает площадь контакта актина с миозином, и головки миозина мо-

66

гут прикрепляться к его поверхности и создавать тянущее усилие. Наклоны головок создают объединенное усилие, продвигающее актиновую нить к середине саркомера. Каждая головка генерирует маленькое тянущее усилие, но их суммация позволяет мышце развивать большие напряжения. Чем больше головок миозина может прикрепиться к нити актина, тем большее усилие они генерируют.

Электромеханическое сопряжение – это цепь после-

довательных процессов, в результате которых потенциал действия мембраны мышечного волокна запускает цикл работы поперечных мостиков.

Во многих местах (на границе дисков А и I) участки поверхностной мембраны мышечной клетки углубляются внутрь волокна (перпендикулярно его продольной оси), образуя систему поперечных трубочек (Т-систему). Просвет Т-трубочки заполнен внеклеточной жидкостью. Вокруг каждой миофибриллы расположен саркоплазматический ретикулум, его сегментами окружены А- и I-диски. Концевые части каждого сегмента расширяются, образуя латеральные цистерны, в них находится Са2+.

Сокращение мышц происходит после их возбуждения через нервно-мышечные синапсы при поступлении к ним потенциалов действия, идущих от мотонейронов. ПД распространяется по поверхности волокна, а затем по мембранам Т-системы в глубь клетки. Достигнув тех областей Т-тру- бочек, которые прилегают к латеральным цистернам, он деполяризует их мембрану, что приводит к открытию потенциалзависимых кальциевых каналов. Ионы кальция выходят из латеральных цистерн и взаимодействуют с тропонином, что вызывает сдвиг нити тропомиозина, это открывает участки актина, к которым могут присоединяться миозиновые головки. Соединение головки миозина с актином приводит к изменению положения мостика (его «сгибанию»), в результате нити актина перемещаются на один шаг к середине саркомера. Затем происходит отсоединение мостика от актина. Ритмические прикрепления и отсоединения головок миозина тянут актиновую нить к середине саркомера.

67

При отсутствии повторного возбуждения ионы кальция закачиваются кальциевым насосом из межфибриллярного пространства обратно в систему цистерн. Это приводит к снижению концентрации кальция в саркоплазме до 10-7(-8) М и отсоединению его ионов от тропонина. Вследствие чего тропомиозин возвращается на прежнее место и блокирует активные центры актина. Расслабление мышцы после ее сокращения происходит пассивно – актиновые и миозиновые нити легко скользят в обратном направлении под влиянием сил упругости мышечных волокон, а также сокращения мышц-антагонистов.

Химические и тепловые процессы при сокращении мышц. На процесс сокращения тратится примерно 70% энергии, на процесс расслабления – примерно 15%, на работу К+, Na+-насоса – примерно 5%, на процессы синтеза – примерно 10%. Прямым источником энергии для работы мышц является АТФ (при расщеплении 1 моля АТФ освобождается 30 кДж, или 7,3 ккал). Однако такой путь получения энергии может обеспечить лишь около 5 с максимальной мышечной активности. Расщепление глюкозы без участия кислорода (гликолиз) может обеспечить еще 1–2 мин. двигательной активности. Более длительную мышечную активность обеспечивает энергией аэробное расщепление глюкозы (окисление).

Типы волокон скелетных мышц. Скелетные мышцы состоят из мышечных волокон, которые можно разделить на две группы – медленные мышечные волокна и быстрые мышечные волокна.

Медленные (тонические, красные) мышечные волокна расположены в глубоких слоях мышц конечностей. Они красного цвета, так как в них присутствуют миоглобин и цитохромовые пигменты. Клетки медленных мышечных волокон содержат много митохондрий, а саркоплазматический ретикулум развит слабо, содержание гликогена невелико. Медленные мышечные волокна иннервируются тонкими нервными волокнами 5 мкм в диаметре. Скорость проведения импульса составляет 2–8 м/с. В ответ на стимуляцию наблюдается медленное сокращение, а потом медленное рас-

68