Механизм сокарщения скелетной мышцы
Чтобы завершить «путешествие» по рефлекторной дуге, нам остается рассмотреть ее эффекторную часть. В качестве примера мы рассмотрим механизм сокращения скелетной мышцы.
В организме имеется много (несколько) видов мышц: скелетные, сердечная, гладкие. Однако всем им присуща одна общая функция – они выполняют механическую работу. Здесь мы рассмотрим строение и функцию скелетных мышц. Главное внимание уделим молекулярным механизмам сокращения и лишь в общих чертах остановимся на вопросах функционирования мышцы как целого органа.
Скелетные мышцы построены из многоядерных мышечных клеток, которые лучше называть волокнами, так как их длина значительно превосходит их диаметр. У различных мышц волокна располагаются по-разному: сравнительно редко они идут параллельно, чаще же – под углом к длинной оси мышцы (перистые мышцы).
В эксперименте, в зависимости от характера раздражения, мышцу можно заставить сокращаться в различном режиме – как в том, в котором она работает в организме, так и в виде одиночных сокращений. В организме мышца обычно работает в режиме тетануса и тонуса. Кроме того, ее механическая реакция может быть изотонической, когда она укорачивается без напряжения, изометрической, когда ее длина не меняется, а развивается напряжение, и ауксотонической, при которой изменяются длина напряжение.
Чтобы понять, как возникают эти виды сокращения, надо вначале познакомиться с одиночным сокращением (рис. 9).
Рис. 9. Запись одиночного сокращения скелетной мышцы лягушки: a – b – латентный (скрытый) период, b – c –фаза укорочения, c – d – фаза расслабления, t – время в сотых долях секунды
Одиночного сокращения в естественном состоянии нет в организме, его можно получить в эксперименте при раздражении мышцы одиночным, надпороговым стимулом. Если опыт проводится на икроножной мышце лягушки, то через 0,005 – 0,01 с (латентный период) начинается фаза укорочения, которая длится 0,04 с. Затем мышца расслабляется в течение 0,05 с (фаза расслабления). Таким образом, весь цикл одиночного мышечного сокращения мышцы у лягушки длится 0,1 с.
Во время латентного периода на мембране мышечной клетки развивается процесс возбуждения, который является сигналом для включения сократительного аппарата. Так же, как и в нервном волокне, активируются ионные каналы, натрий входит в клетку, и возникает ток действия со всеми свойственными ему фазами – фазой деполяризации, перезарядки мембраны (инверсии) и фазой реполяризации. В тот момент, когда в натриевых каналах открываются активирующие заслонки, мышца становится невозбудимой (абсолютная рефрактерная фаза).
Во время реполяризации, к ней постепенно возвращается возбудимость (относительная рефрактерная фаза). Важно отметить, что к началу фазы укорочения мышечная клетка восстанавливает нормальную возбудимость и готовность ответить дополнительным сокращением.
Тетаническое сокращение мышцы возникает при ритмическом раздражении мышцы (рис. 10). Низкая частота раздражения 7 – 8 импульсов в 1 с обеспечивает каждому последующему импульсу попадание в фазу расслабления, и, поскольку мышца уже возбудима, она отвечает дополнительным сокращением на фоне начавшегося расслабления, возникшего после первого раздражения. Сокращения суммируются, и развивается зубчатый тетанус. Для получения гладкого тетануса, то есть того режима, в котором мышца работает в организме, нужно подобрать такую частоту раздражения, при которой бы каждый последующий импульс попадал в фазу укорочения. В этом случае мышца не расслабляется, сокращения суммируются (суперпозиция), и развивается гладкий тетанус. Мышца укорачивается на 30 % от исходной длины, и будет находиться в укороченном состоянии до тез пор, пока не прекратиться раздражение или пока не наступит утомление. Меняя в определенных пределах частоту раздражения, можно регулировать величину тетанического сокращения мышцы.
Рис. 10. Изменение сокращения скелетной мышцы в зависимости от частоты раздражения (образование тетануса): I – низкая частота – одиночные сокращения, II, III –увеличение частоты – зубчатый тетанус, IV – дальнейшее увеличение частоты – гладкий тетанус
Что же заставляет сокращаться мышечную клетку? Для ответа на этот вопрос нужно разобраться в молекулярном механизме мышечного сокращении. Внутри мышечной клетки находятся два устройства, одно из которых является главным сократительным аппаратом, а другое – механизмом, приводящим этот аппарат в действие. Первое представлено миофибриллами, второе – саркоплазматическим ретикулумом. Сначала рассмотрим миофибриллярный аппарат. Он состоит из нитей диаметром около 1 мкм, расположенных параллельно друг другу и длине клетки. Каждая нить разделена мембранами на равные участки, которые называются саркомерами (рис. 11). В поляризованном свете, под микроскопом, в середине саркомера можно видеть темный диск с более светлой полосой в средней части и по бокам от него – два светлых диска. Темный диск называется анизотропным (диск А), а светлые – изотропными (диски I). Более светлая полоса в середине темного диска обозначается буквой Н, а темная мембранка, проходящая посередине, – буквой М.
Рис. 11. Устройство саркомера. Описание см. в тексте
Все эти особенности строения саркомера связаны с распределением в нем нитевидных кристаллов двух основных сократительных мышечных белков: миозина и актина. Нитевидные кристаллы называются протофибриллами (в переводе – собственно фибриллы), они делятся на толстые и тонкие. Анизотропный диск состоит из толстых и тонких протофибрилл, изотропный (диск) – только из тонких. И полоска в середине темного диска образуется потому, что тонкие протофибриллы проникают в него только частично.
На поперечном срезе, проходящем через темный диск, можно видеть, что вокруг одной толстой протофибриллы располагаются в виде правильного шестиугольника шесть тонких протофибрилл. Сама же толстая протофибрилла имеет выступы – мостики, отходящие от нее в направлении тонких протофибрилл.
Толстая протофибрилла имеет длину 1600 нм и построена из 300 молекул белка миозина. Размер молекул колеблется в пределах 140 – 155 нм. По своей форме они напоминают хоккейную клюшку, ручка которой состоит из удлиненной цепочки легкого меромиозина, а лопатка – из тяжелого. Лопатка располагается под прямым углом к рукоятке и скреплена с ней двумя шарнирами. Второй шарнир, более близкий к рукоятке, то есть к толстой протофибрилле, позволяет лопатке становиться к ней перпендикулярно, первый же. Расположенный ближе к верхушке, - осуществлять «кивковое» или гребковое движение (рис. 12).
Рис. 12. Схема, демонстрирующая соединение тонкой (актиновой) и толстой (миозиновой) протофибрилл при сокращении скелетной мышцы. Описание см. в тексте
Тяжелый меромиозин обладает АТФ азной активностью, но только тогда, когда он соединяется с тонкой протофибриллой.
Тонкие протофибриллы построены из второго сократительного белка – актина (см. рис. 12). Его шарообразные молекулы образуют две перевитые друг с другом цепочки. В местах из переплетения через каждые 40 нм активные центры, способные связываться с мостиками толстых протофибрилл. В покоящейся мышце активные центры прикрыты молекулами особого белка тропомиозина, к которому, с помощью одной из своих четырех субъединиц, прикреплен другой белок – тропонин (рис. 12). Последний является кальциевым рецептором и относится к группе белков кальмодулинов. Таким образом, тонкая протофибрилла построена из трех белков: одного основного и двух вспомогательных.
Одним концом тонкая протофибрилла прикрепляется к Z-мембране, а другим входит в темный диск между толстыми протофибриллами. При возбуждении мышцы в район протофибрилл поступает кальций, который до этого находился в замкнутых мембранных цистернах, расположенных между миофибриллами параллельно их длине. В саркоплазме покоящейся мышцы кальция очень мало (10-8 М), при возбуждении кальций выходит из цистерн и диффундирует к миофибриллам. Когда его концентрация достигает 10-5 М, он соединяется с тропонином, который конформируется, «топит» молекулу тропомиозина в тело тонкой протофибриллы и таким образом открывает (активирует) ее активный центр. Ближайший мостик толстой протофибриллы с сидящей на его верхушке молекулой АТФ соединяется с активным центром, приобретает АТФазную активность, расщепляет молекулу АТФ и за счет выделившейся энергии осуществляет две операции: производит кивковое движение, протаскивая тонкую протофибриллу вдоль толстой, и разъединяется с тонкой протофибриллой. Одновременно кальций возвращается в цистерну, и тропомиозин закрывает активный центр.
Возвращение кальция в цистерну – активный процесс. На наружной поверхности мембраны цистерны находится ионный насос Са-АТФаза. Когда Са2+ выходит из цистерны, он активирует Са-АТФазу и за счет энергии АТФ возвращается обратно в цистерну. Таким образом, кальций является своего рода «спусковым крючком» для сократительного механизма.
Механизм, связывающий возбуждение мышечной клетки с ее сокращением, носит название механизма электромеханического сопряжения, или Т-системы (рис. 13).
Рис. 13. Схема системы электромеханического сопряжения: 1 – поверхностная плазматическая мембрана мышечного волокна, 2 – поперечные углубления мембраны в волокно (колодцы), 3 – цистерны саркоплазматического ретикулума, 4 – миофибрилла. Описание см. в тексте
Он представляет собой выпячивание внутрь клетки ее мембраны, в результате чего образуются «колодцы» диаметром 50 нм, расположенные регулярно по длине волокна (у лягушки на уровне Z-мембран, а у млекопитающих и человека – на границе темных и светлых дисков).
Мембрана «колодца» контактирует с мембраной цистерны, образуя своего рода синапсы с шириной синаптической щели 200 нм. Возбуждение, возникшее на мембране мышечной клетки, в виде волны деполяризации распространяется вдоль волокна, «ныряя» из «колодца» в «колодец» и вызывая деполяризацию мембраны «колодцев». Возникает разность потенциалов между мембраной «колодца» и цистерны, открываются кальциевые каналы цистерны, и кальций, подчиняясь концентрационному градиенту, выходит в саркоплазму. Цистерны, расположенные вдоль миофибрилл, находятся от их поверхности на расстоянии 1 мкм, благодаря чему Са2+ достаточно быстро подводится к сократительному аппарату и вызывает фазу сокращения (укорочения) мышцы.
Во время фазы расслабления мышцы кальций возвращается обратно в цистерну, вследствие активной диффузии против концентрационного градиента и благодаря включению Са-АТФазного насоса.