6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Biokhimia_v_praktike_sporta_2018

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

Динамическая функция мышечной ткани

Основная динамическая функция мышц– обеспечить подвижность путем сокращения и последующего расслабления. При сокращении мышц осуществляется работа, связанная с превращением химической (биохимической) энергии в механическую.

Различаюттритипамышечнойткани: скелетную, сердечную и гладкую мышечную ткань.

Существуеттакжеделениенапоперечно-полосатыеи гладкие мышцы. В основном поперечно-полосатые мышцы– скелетные. Миокард морфологически относится к поперечно-полосатому мышечному образованию, но по ряду других признаков он занимает промежуточное положение между гладкими и попереч- но-полосатыми мышцами.

Морфологическая организация поперечно-полосатой мышцы

Поперечно-полосатая мышца состоит из многочисленных удлиненных волокон, или мышечных клеток. Двигательные нервы входят в различныхточках в мышечное волокнои передаютему электрический импульс, вызывающий сокращение.

Мышечноеволокнообычнорассматриваюткакмногоядерную клетку гигантских размеров, покрытую эластичной оболочкой– сарколеммой. Диаметр функционально зрелого поперечно-поло- сатого мышечного волокна обычно составляет от 10 до 100 мкм,

адлина волокна часто соответствует длине мышцы.

Вкаждоммышечном волокне по длине волокна расположено в полужидкой саркоплазме, нередко в форме пучков, множество нитевидных образований– миофибрилл (толщина этой структурной единицы обычно менее 1 мкм), обладающих, как и все волокно в целом, поперечной исчерченностью. Поперечная исчерченность волокна, зависящая от оптической неоднородности белковых веществ, локализованных во всех миофибриллах на одном уровне, легко выявляется при исследовании волокон скелетных мышц в поляризованном свете фазово-контрастного микроскопа.

Химический состав поперечно-полосатой мышцы

В мышечной ткани человека содержится от 72 до 80% воды. Около 20–28% от массы мышцы приходится на долю сухого

50

III. Биохимические показатели

остатка, главнымобразомбелков. Помимобелков, всоставсухого остатка входят гликоген и другие углеводы, различные липиды, экстрактивные азотсодержащие вещества, соли органических

инеорганических кислот и другие химические соединения.

Всаркоплазме мышечных волокон содержатся и ряд других структур: митохондрии, рибосомы, эндоплазматическая сеть

ит. д. (см. раздел «Органеллы клетки»).

Экстрагируемые из мышц белки разделены на 3 класса: растворимые в воде, экстрагируемые 8–12% раствором хлорида аммонияибелки, извлекаемыеразбавленнымирастворамикислот

ищелочей. В настоящее время белки мышечной ткани делят на три основные группы: саркоплазматические, миофибриллярные

ибелкистромы. Надолюпервыхприходитсяоколо35%, вторых– 45% и третьих– 20% от всего количества мышечного белка. Эти группыбелковрезкоотличаютсядруготдругапорастворимости в воде и солевых средах с различной ионной силой.

Кгруппе миофибриллярных белков относятся миозин, актин

иактомиозин– белки, растворимые в солевых средах с высокой ионной силой, и так называемые регуляторные белки: тропомиозин, тропонин, α- и β-актинин, образующие в мышце с актомиозином единый комплекс. Перечисленные миофибриллярные белки тесно связаны с сократительной функцией мышц.

Миозин составляет 50–55% от сухой массы миофибрилл. Толстые нити (толстые миофиламенты) в саркомере надо понимать как образование, полученное путем соединения большого числа определенным образом ориентированных в пространстве молекул миозина.

Актин, составляющий 20% от сухой массы миофибрилл, был открыт Ф. Штраубом в 1942 г. Известны две формы актина: глобулярный актин (G-актин) и фибриллярный актин (F-актин). Молекула G-актина состоит из одной полипептидной цепочки (глобула), в образованиикоторойпринимаютучастие374 аминокислотных остатка. При повышении ионной силы до физиологи- ческогоуровняG-актинполимеризуетсявF-актин(фибриллярная форма). На электронных микрофотографиях волокна F-актина выглядят как две нити бус, закрученных одна вокруг другой.

Актомиозин образуется при соединении миозина с F-акти- ном и обладает АТФазной активностью. Фермент актомиозин активируется ионами Mg2+ и ингибируется этилендиаминтетраацетатом (ЭДТА) и высокой концентрацией АТФ, тогда как

51

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

миозиновая АТФаза ингибируется ионами Mg2+, активируется ЭДТА и не ингибируется высокой концентрацией АТФ. Оптимальные значения рН для обоих ферментов также различны.

Тропонин– глобулярный белок, открытый С. Эбаси в 1963 г. В скелетных мышцах человека тропонин (Тн) составляет лишь около 2% от всех миофибриллярных белков. В его состав входят три субъединицы (Тн-I, Тн-С, Тн-Т). Тн-I (ингибирующий) может ингибировать АТФазную активность, ТН-С (кальцийсвязывающий) обладает значительным сродством к ионам кальция, Тн-Т (тропомиозин-связывающий) обеспечивает связь с тропомиозином. Тропонин, соединяясь с тропомиозином, образует комплекс, названный нативным тропомиозином. Этот комплекс прикрепляетсяк актиновымфиламентами придаетактомиозину скелетных мышц чувствительность к ионам Са2+. Установлено, что тропонин (его субъединицы Тн-Т и Тн-I) способен фосфорилироваться при участии цАМФ-зависимых протеинкиназ.

Белки стромы в поперечно-полосатой мускулатуре представлены в основном коллагеном и эластином. Известно, что строма скелетныхмышц, остающаясяпослеисчерпывающейэкстракции мышечной кашицы солевыми растворами с высокой ионной силой, состоит в значительной мере из соединительнотканных элементов стенок сосудов и нервов, а также сарколеммы и некоторых других структур.

Небелковые азотистые экстрактивные вещества

В скелетныхмышцахсодержитсярядважныхазотистыхэкстрактивных веществ: адениновые нуклеотиды (АТФ, АДФ и АМФ), нуклеотиды неаденинового ряда, креатинфосфат, креатин, креатинин, карнозин, ансерин, свободные аминокислоты и др. На долю креатина и креатинфосфата приходится до 60% небелкового азота мышц. Креатинфосфат и креатин относятся к тем азотистымэкстрактивнымвеществаммышц, которыеучаствуют в химических процессах, связанных с мышечным сокращением.

Мышечная ткань и безазотистые вещества

Одним из основных представителей безазотистых органических веществ мышечной ткани является гликоген. Его концентрация в норме колеблется от 0,5 до 2% и выше. На долю других представителей углеводов приходятся десятые и сотые доли процента. В мышцах находят лишь следы свободной глюкозы

52

III. Биохимические показатели

и оченьмалогексозофосфатов. В процессеметаболизмаглюкозы, а также аминокислот в мышечной ткани образуются молочная, пировиноградная кислоты и другие карбоновые кислоты.

В том или ином количестве в мышечной ткани обнаруживаются также триглицериды и холестерин.

Состав неорганических солей в мышцах разнообразен. Из катионов больше всего калия и натрия. Калий сосредоточен главным образом внутри мышечных волокон, а натрий– преимущественно в межклеточном веществе. Значительно меньше в мышцах магния, кальция и железа. В мышечной ткани содержится ряд микроэлементов: кобальт, алюминий, никель, бор, цинк и др.

Некоторые особенности химического состава сердечной мышцы и гладкой мышечной ткани

Сердечная мышца по содержанию ряда химических соединений занимает промежуточное положение между скелетной мускулатурой и гладкими мышцами. В сердечной мышце (и особенно в гладких мышцах) значительно меньше миофибриллярных белков, чем в скелетной. Концентрация белков стромы в гладких мышцах и миокарде выше, чем в скелетной мускулатуре. Известно, что миозин, тропомиозин и тропонин сердечной мышцы и гладкой мускулатуры заметно отличаются по своим физико-химическим свойствам от соответствующих белков скелетной мускулатуры. Отмечены определенные особенности и во фракциях саркоплазматических белков. Саркоплазма гладкой мускулатуры и миокарда в процентном отношении содержит большемиоальбумина, чемсаркоплазмаскелетноймускулатуры. Содержание АТФ в сердечной мышце на 1 г ткани (2,60 мкмоль) ниже, чем в скелетной, и выше, чем в гладкой мускулатуре. По содержанию гликогена сердечная мышца также занимает промежуточное положение между скелетной и гладкой мускулатурой. По данным Северина С. Е. (1965), как в сердечной, так

ив гладкой мускулатуре обнаруживаются лишь следы ансерина

икарнозина (не более 0,1 г на 1 кг сырой массы).

Имеетсяопределеннаязависимостьмеждухарактеромработы мышц и содержаниемфосфоглицеридов. Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче фосфоглицеридами, при окислениикоторых, по-видимому, вырабатывается значительная часть энергии, необходимой для его сокращения.

53

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

Источники энергии мышечной деятельности

Принято считать, что процессом, непосредственно связанным

сработающим механизмом поперечно-полосатого мышечного волокна, является распад АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата. В процессе мышечной деятельности происходит непрерывный ресинтез АТФ. Ресинтез АТФ обеспечивается трансфосфорилированием АДФ с креатинфосфатом. Данная реакция катализируется ферментом креатинкиназой.

Креатинкиназный путь ресинтеза АТФ является чрезвычайно быстрым и максимально эффективным (за счет каждой молекулы креатинфосфата образуется молекула АТФ). Именно поэтому долгое время не удавалось установить уменьшение концентрации АТФ и соответственно повышение концентрации АДФ даже при достаточно продолжительном тетанусе. Применив специфический ингибитор креатинкиназы, а также

спомощью агентов, препятствующих окислительному фосфорилированию АДФ в АТФ, Кейн Т. и соавт. (1962) смогли продемонстрировать прямой распад АТФ с одновременным приростом неорганического фосфата и АДФ при одиночном сокращении изолированной мышцы. Некоторое количество АТФ может ресинтезироваться в ходе аденилаткиназной (миокиназной) реакции.

Запасы креатинфосфата в мышце невелики, а доступность энергиикреатинфосфатаимеетценностьдляработающеймышцы только в том случае, если расход его постоянно возмещается синтезом АТФ в процессе метаболизма.

Запасы креатинфосфата в мышцах определяются по выделению креатинина с мочой за сутки в расчете на 1 кг массы тела. Норма коэффициента у мужчин – 18–32, у женщин –

10–25 мг / сут-кг.

Для любой ткани, в том числе мышечной, известны два фундаментальных биохимических процесса, в ходе которых регенерируются богатые энергией фосфорные соединения. Один из них– гликолиз, другой– окислительное фосфорилирование.

Наиболее важный и эффективный путь– окислительное фосфорилирование. Придостаточномснабжениикислородоммышца, несмотря на анаэробный механизм сокращения, в конечном итоге работает за счет энергии, образующейся при окислении (в цикле Кребса) как продуктов распада углеводов, так и ряда

54

III. Биохимические показатели

других субстратов тканевого дыхания, в частности жирных кислот, а также ацетата и ацетоацетата.

При работе умеренной интенсивности мышца может покрыватьсвоиэнергетическиезатратызасчетаэробногометаболизма. Однако при больших нагрузках, когда возможность снабжения кислородом отстает от потребности в нем, мышца вынуждена использовать гликолитический путь снабжения энергией. При интенсивной мышечнойработескоростьрасщеплениягликогена или глюкозы с образованием молочной кислоты увеличивается

всотни раз. Соответственно содержание молочной кислоты

вмышечной ткани может повышаться до 1,0–1,2 г/кг и более. С током крови значительное количество молочной кислоты поступает в печень, где ресинтезируется в глюкозу и гликоген за счет энергии окислительных процессов (глюконеогенез).

При накоплении молочной кислоты в значительных количествах изменяются упруговязкие свойства мышц, что отражается на уменьшении скорости сокращений (за счет снижения возможности их расслабления).

Перечисленные механизмы ресинтеза АТФ в начале мышечной деятельности включаются в строго определенной последовательности. Наиболее экстренным является креатинкиназный механизм, и лишьпримерночерез20 с максимальноинтенсивной работыначинаетсяусиление гликолиза, интенсивность которого достигаетмаксимумачерез40–80 с. Приболеедлительной, а следовательно и менее интенсивной работе, все большее значение приобретает аэробный путь ресинтеза АТФ.

СодержаниеАТФикреатинфосфатавсердечноймышцениже, чемв скелетноймускулатуре, а расходАТФвелик. В связис этим ресинтез АТФ в миокарде должен происходить намного интенсивнее, чем в скелетной мускулатуре. Для сердечной мышцы человека основным путем образования богатых энергией фосфорных соединений является путь окислительного фосфорилирования, связанный с поглощением кислорода. Регенерация АТФ в процессе анаэробного расщепления углеводов (гликолиз)

всердце человека практического значения не имеет. Именно поэтому сердечная мышца очень чувствительна к недостатку кислорода. Характерной особенностью обмена веществ в сердечной мышце, по сравнению со скелетной, является то, что аэробное окисление веществ неуглеводной природы при работе сердечноймышцыимеетбóльшеезначение, чемприсокращении

55

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

скелетноймышцы. Только30–35% кислорода, поглощаемогосердцемв норме, расходуетсянаокислениеуглеводови продуктових превращения. Главнымсубстратомдыханияв сердечноймышце являются жирные кислоты. Окисление неуглеводных веществ обеспечиваетоколо 65–70% потребности миокардав энергии. Из свободных жирных кислот в сердечной мышце особенно легко подвергается окислению олеиновая кислота.

Механизм мышечного сокращения

Биохимический механизм попеременного сокращения и расслабления мышц состоит из 5 стадий, а весь цикл в настоящее время представляется следующим образом:

1.Миозиновая «головка» может гидролизовать АТФ до АДФ

иН3РО4, нонеобеспечиваетосвобожденияпродуктовгидролиза. Поэтому данный процесс носит скорее стехиометрический, чем каталитический, характер.

2.Содержащая АДФ и Н3РО4 миозиновая «головка» может свободно вращаться под большим углом и (при достижении нужного положения) связываться с F-актином, образуя с осью фибриллы угол около 90°.

3.Это взаимодействие обеспечивает высвобождение АДФ

иН3РО4 изактин-миозиновогокомплекса. Актомиозиноваясвязь имеет наименьшую энергию при величине угла 45°, поэтому изменяетсяуголмиозинасосьюфибриллыс90° на45° (примерно)

ипроисходит продвижение актина (на 10–15 нм) в направлении центра саркомера.

4.Новая молекула АТФ связывается с комплексом миозин– F-актин.

5.Комплексмиозин-АТФобладаетнизкимсродствомкактину,

ипоэтому происходит отделение миозиновой (АТФ) «головки» от F-актина. Последняя стадия и есть собственно расслабление, которое отчетливо зависит от связывания АТФ с актин-миози- новым комплексом. Затем цикл возобновляется.

Регуляция сокращения и расслабления мышц

Сокращение любых мышц происходит по общему механизму, описанному ранее. Мышечные волокна разных органов могут обладать различными молекулярными механизмами регуляции сокращения и расслабления, однако всегда ключевая регуляторнаярольпринадлежитионамСа2+. Установлено, чтомиофибриллы

56

III. Биохимические показатели

обладаютспособностьювзаимодействоватьс АТФи сокращаться

вего присутствии лишь при наличии в средеопределенныхконцентраций ионов кальция. Наибольшая сократительная активность наблюдается при оптимальной концентрации ионов Са2+. При понижении концентрации Са2+ мышечные волокна теряют способность к укорочению и развитию напряжения в присутствии АТФ.

По современным представлениям, в покоящейся мышце (в миофибриллах и межфибриллярном пространстве) концентрация ионов Са2+ поддерживается ниже пороговой величины

врезультате связывания их структурами (трубочками и пузырьками) саркоплазматической сети и так называемой Т-системой при участии особого Са2+-связывающего белка, получившего название кальсеквестрина, входящего в состав этих структур. Связывание ионов Са2+ разветвленной сетью трубочек и цистерн саркоплазматической сети не является простой адсорбцией. Это активный физиологический процесс, который осуществляется за счет энергии, освобождающейся при расщеплении АТФ Са2+-зависимой АТФазой саркоплазматической сети. При этом наблюдаетсявесьмасвоеобразнаякартина: скоростьвыкачивания ионов Са2+ из межфибриллярного пространства стимулируется этими же ионами. В целом такой механизм получил название «кальциевая помпа» по аналогии с хорошо известным в физиологии натриевым насосом.

Возможность пребывания живой мышцы в расслабленном состоянии при наличии в ней достаточно высокой концентрации АТФ объясняется снижением в результате действия кальциевой помпы концентрации ионов Са2+ в среде, окружающей миофибриллы, ниже того предела, при котором еще возможны проявление АТФазной активности и сократимость акто-мио- зиновых структур волокна. Быстрое сокращение мышечного волокна при его раздражении от нерва (или электрическим током) является результатом внезапного изменения проницаемости мембран и, как следствие, выхода из цистерн и трубочек саркоплазматической сети и Т-системы некоторого количества ионов Са2+ в саркоплазму. Как отмечалось, «чувствительность» актомиозиновой системы к ионам Са2+ (т. е. потеря актомиозином способности расщеплять АТФ и сокращаться в присутствии АТФ при снижении концентрации ионов Са2+ до 10–7М) обусловлена присутствием в контрактильной системе (на нитях

57

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

F-актина) белка тропонина, связанного с тропомиозином. В тро- понин-тропомиозиновом комплексе ионы Са2+ связываются именно с тропонином. В молекуле тропонина при этом происходят изменения, которые, по-видимому, приводят к сдвигу всего тропонин-тропомиозинового стержня и деблокировке активных центров актина, способных взаимодействовать с миозином с образованием сократительного комплекса и активной Mg2+-АТФазы. В продвижении актиновых нитей вдоль миозиновых важную роль играют временно замыкающиеся между нитями поперечные мостики, которые являются «головками» миозиновых молекул. Итак, чем большее число мостиков прикреплено в данный момент к актиновым нитям, тем больше сила мышечного сокращения.

Наконец, если возбуждениепрекращается, содержание ионов Са2+ в саркоплазме снижается (кальциевая помпа), то циклы прикрепление–освобождение прекращаются, т. е. «головки» миозиновыхнитейперестаютприкреплятьсяк актиновымнитям. В присутствии АТФ мышца расслабляется, и ее длина достигает исходной. Если прекращается поступление АТФ (аноксия, отравление дыхательными ядами или смерть), то мышца переходит в состояние окоченения. Почти все поперечные мостики толстых (миозиновых) нитей присоединены при этом к тонким актиновым нитям, следствием чего и является полная неподвижность мышцы.

Существует методика определения тощей мышечной массы по количеству креатинина, выделяемого с мочой. Величина расчетная, определяемая по формуле:

0,0291 × креатинин мочи (мг × сут –1) + 7,38

Гликозаминогликаны и протеогликаны

Гликозаминогликаны– линейныеотрицательнозаряженныегетерополисахариды. Раньше их называли мукополисахаридами, так как они обнаруживались в слизистых секретах (мукоза) и придавали этим секретам вязкие, смазочные свойства. Эти свойства обусловлены тем, что гликозаминогликаны могут связывать большие количества воды, в результате чего межклеточное вещество приобретает желеобразный характер.

Протеогликаны– высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (5–10%) и гликозаминогликанов (90–95%). Они

58

III. Биохимические показатели

образуют основное вещество межклеточного матрикса соединительной ткани и могут составлять до 30% сухой массы ткани.

Белки в протеогликанахпредставлены одной полипептидной цепьюразноймолекулярноймассы. Полисахаридныекомпоненты у разныхпротеогликановразные. Протеогликаныотличаютсяот большой группы белков, которые называют гликопротеинами. Эти белки тоже содержат олигосахаридные цепи разной длины, ковалентно присоединённые к полипептидной основе. Углеводный компонент гликопротеинов гораздо меньше по массе, чем у протеогликанов, и составляет не более 40% от общей массы. Гликопротеины выполняют в организме человека разные функции и присутствуют во всех классах белков– ферментах, гормонах, транспортных, структурных белках и др. Представители гликопротеинов– коллаген и эластин, иммуноглобулины, ангиотензиноген, трансферрин, церулоплазмин, внутренний фактор Касла, тиреотропный гормон.

Биохимические изменения соединительной ткани при старении

Общимвозрастнымизменением, котороесвойственновсемвидам соединительной ткани, является уменьшение содержания воды

иотношения: основное вещество / волокна. Показатель этого соотношения уменьшается как за счет нарастания содержания коллагена, так и в результате снижения концентрации гликозаминогликанов. В первую очередь значительно снижается содержание гиалуроновой кислоты. Однако не только уменьшается общее количество кислых гликозаминогликанов, но изменяется

иколичественное соотношение отдельных гликанов. Одновременно происходит изменение физико-химических свойств коллагена (увеличение числа и прочности внутри- и межмолекулярных поперечных связей, снижение эластичности и способности к набуханию, развитие резистентности к коллагеназе

ит. д.). Повышается структурная стабильность коллагеновых волокон (прогрессирование процесса «созревания» фибриллярных структур соединительной ткани). Следует помнить, что старение коллагена in vivo неравнозначно износу. Оно является своеобразнымитогомпротекающихв организмеметаболических процессов, влияющих на молекулярную структуру коллагена.

Средимногихпораженийсоединительнойтканиособоеместо занимают коллагенозы. Для них характерно повреждение всех

59