Механизм мышечного сокращения
В основе сокращения всех типов мышц лежит перемещение друг относительно друга двух систем белковых нитей – актиновых и миозиновых филаментов. В клетках гладкой мышечной ткани и поперечнополосатых мышцах их расположение и механизмы регуляции сокращения различаются, но механизм самого сокращения единый.
Поперечнополосатое скелетное мышечное волокно представляет собой симпласт, т.е. такой тип строения такни, в котором отсутствуют границы между отдельными клетками, а ядра располагаются в сплошной массе цитоплазмы. По форме оно является цилиндром, покрытым сарколеммой, включающей в себя ЦПМ симпласта и белковую базальную мембрану. Она образует впячивания внутрь волокна, называемые Т-трубочками. Цитоплазму мышечного волокна называют саркоплазмой, большая ее часть заполнена миофибриллами, образованными актиновыми и миозиновыми миофиламентами. Также в ней лежат палочковидные ядра и иные органоиды и включения, типичные для эукариотической клетки. ЭПС мышечного волокна называют саркоплазматической сетью, она является внутриклеточным депо кальция и участвует в регуляции сокращения.
Миофибрилла состоит из одинаковых повторяющихся элементов – саркомеров, являющихся ее элементарными функциональными единицами. Саркомер ограничен с двух сторон Z-дисками, в состав которых входят белки α-актин, десмин и виментин. К этим дискам с обеих сторон прикрепляются тонкие актиновые нити. В середине саркомера располагается система толстых нитей, построенных преимущественно из миозина. Нити актина обладают низкой плотностью и поэтому под микроскопом кажутся более светлыми. Светлые области, располагающиеся с обеих сторон от Z-диска, не содержащие миозина, получили название изотропных зон (или I-дисков). Часть саркомера, содержащая миозин обладает большей плотностью и образует темную анизотропную зону (или А-диск). В центральной части А-дисков расположена менее плотная Н-зона (зона Хенсона), лишенная актина. В центре Н-полоски обнаружена М-линия – структура, которая удерживает нити миозина. Также в саркомере присутствует белок титин, связывающий концы миозиновых нитей с Z-пластинками. Саркомеры всех миофибрилл мышечного волокна расположены на одном уровне, что обеспечивает его поперечную исчерченность. На поперечном срезе мышечное волокно имеет гексагональную организацию, т.е. каждая нить миозина окружена шестью нитями актина.
Механизм мышечного сокращения описывается теорией скользящих нитей, названной так за то, что в ходе сокращения длина актиновых и миозиновых филаментов остается неизменной, а укорочение миофибрилл является следствием перемещения нитей друг относительно друга. Актиновые нити (т.н. F-актин, т.е. фибриллярный актин) состоят из сотен последовательно соединенных мономеров актина (G-актина, т.е. глобулярного актина), образующих две перекрученные друг вокруг друга нити, сравниваемые с двумя перевившимися нитками бус. В желобе, образованном этими нитями, находятся белки тропонин и тропомиозин. Тропомиозин, выступая над поверхностью актина, препятствует его связыванию с миозином. Миозиновые нити состоят из 300 – 400 молекул миозина разных типов (легкий и тяжелый меромиозин). На их поверхности имеется множество подвижных головок, контактирующих с актином и обладающих АТФазной активностью (способных расщеплять АТФ на АДФ и неорганический фосфат – далее Фн).
Помимо актина и миозина, в сокращении важная роль принадлежит Т-трубочкам сарколеммы и терминальным (конечным) цистернам саркоплазматической сети. В район контакта каждого А- и I-дисков подходит одна Т-трубочка и две терминальные цистерны саркоплазматической сети, образующие т.о. триаду. В момент, когда к мышечному волокну приходит нервный импульс, происходит уменьшение мембранного потенциала сарколеммы (т.е. в ней открываются ионные каналы, и концентрации ионов внутри и снаружи мембраны выравниваются, ее заряд уменьшается, возникает потенциал действия). Снижение мембранного потенциала в Т-трубочках, являющихся частью сарколеммы, открывает кальциевые каналы в мембранах цистерн саркоплазматической сети, и ионы кальция из них выходят в саркоплазму. Кальций связывается с тропонином актиновых нитей, изменяя его конформацию, что приводит к смещению тропомиозина в желобок между нитями актина. При этом на актиновых нитях открываются участки, с которыми могут взаимодействовать головки миозина.
В исходном состоянии головка миозина не насыщена АТФ и может прочно прикрепляться к актину под углом примерно в 45°. Присоединение головки миозина к актину приводит к тому, что головка приобретает АТФазную активность. При связывании с АТФ головка миозина отсоединяется от актина. Гидролиз АТФ до АДФ и неорганического фосфата головкой миозина приводит к изменению ее ориентации, в результате чего она располагается перпендикулярно к нити актина. После этого головка миозина вновь оказывается способна связываться с актином. Образование комплекса с актином вызывает наклон головки в направлении М-линии, в результате чего миозин проталкивается между нитями актина в сторону Z-пластинки. Также при этом от него отсоединяются АДФ и Фн. После этого миозин связывается с новой молекулой АТФ, отсоединяется от актина, и цикл повторяется.
Расслабление мышечного волокна связано с работой систем активного транспорта кальция (идущего с затратой АТФ) – ионных насосов в мембранах саркоплазматической сети, которые удаляют ионы Ca2+ из саркоплазмы внутрь цистерн. В результате тропомиозин вновь оказывается на поверхности актиновых нитей и закрывает центры связывания с миозином. В отсутствии в клетке АТФ удаление кальция, а, следовательно, и расслабление мышечного волокна невозможно, что происходит при трупном окоченении.
Механизм сокращения поперечнополосатой сердечной мышечной ткани в целом аналогичен. Отличия состоят лишь в том, что эта ткань представлена не симпластом, а отдельными клетками – кардиомиоцитами, образующими функциональный синцитий за счет тесного контакта клеток в районе вставочных дисков. Возбуждение, т.е. деполяризация мембраны клеток, генерируется непосредственно в сердце т.н. атипичными кардиомиоцитами и передается не нервными клетками, а напрямую от мембраны одного кардиомиоцита мембране другого в районе вставочного диска. Т-трубочки проникают в клетку не в районе контакта А- и I-дисков, а в районе Z-пластинки, и к каждой из них примыкает только одна терминальная цистерна саркоплазматической сети, образуя т.о. диаду.
Гладкая мышечная ткань состоит из отдельных клеток. Внутри них миофибриллы не имеют столь упорядоченного расположения как в поперечнополосатой мышечной ткани, поэтому при микроскопии поперечная исчерченность отсутствует. Актиновые и миозиновые филаменты ориентированы в основном вдоль клетки. Нити актина прикрепляются к плотным тельцам, аналогичным Z-пластинкам по назначению, и состоящим из α-актина. Между отдельными гладкомышечными клетками имеются щелевые контакты для передачи возбуждения, т.к. нейроны контактируют не со всеми клетками. Взаимодействие актина с головками миозина в процессе сокращения аналогично таковому в поперечнополосатых мышцах, но механизм его регуляции иной.
Изменение мембранного потенциала ЦПМ приводит к открыванию в ней кальциевых каналов, что вызывает некоторое повышение концентрации кальция в клетке. Этот кальций активирует рецепторы в мембране саркоплазматической сети, что приводит к поступлению из ее цистерн значительных количеств кальция в саркоплазму. В гладкомышечных клетках ионы кальция влияют не на актиновые нити, а на миозин. С миозиновыми филаментами связан фермент, называемый киназой легких цепей миозина (КЛЦМ), которая присоединяет остаток фосфорной кислоты к определенным регуляторным участкам миозина. Лишь фосфорилированный миозин может взаимодействовать с актином в гладкомышечной клетке, вызывая ее сокращение. Активность данного фермента определяется белком кальмодулином, который, связавшись с ионами кальция, активизирует КЛЦМ. Т.о. ионы кальция вызывают сокращение клетки. Его удаление системами активного транспорта обратно в цистерны саркоплазматической сети приводит к распаду комплекса кальция с кальмодулином. В свою очередь, это инактивирует КЛЦМ, но не вызывает расслабления гладкомышечной клетки, т.к. миозин остается фосфорилированным, и сокращение продолжается. Удаление остатков фосфорной кислоты с регуляторных цепей миозина осуществляется под действием другого фермента – фосфатазы легких цепей миозина, включающейся при низких концентрациях кальция. После этого миозин перестает связываться с актином и происходит расслабление. Сокращение и расслабление гладких мышц осуществляется гораздо медленнее, чем поперечнополосатых, однако их работа требует гораздо меньшего количества АТФ.
1 Купферовские клетки печени – это специализированные эндотелиальные клетки, выстилающие синусоиды печёночной дольки. Основной функцией клеток Купфера является захват и переработка старых нефункциональных клеток крови. При этом разрушаются молекулы гемоглобина, их глобиновые цепи повторно утилизируются, а гем расщепляется на железо и билирубин. Также они активно фагоцитируют бактериальные клетки, проникающие из кишечника в кровь. При определенных условиях они могут отторгаться от стенок синусоида в кровь.
2 Клетки Лангерганса располагаются в пределах шиповатого слоя средней части эпидермиса, хотя случайные клетки также могут встречаться и в самых нижних слоях эпидермиса. Они имеют, как и все мононуклеарные фагоциты (разновидность макрофагов), костномозговое происхождение. Эти клетки выполняют функцию приема, обработки и представления информации об антигенах окружающей среды (и, возможно, также об эндогенных антигенах) Т-лимфоцитам в коже и в лимфатических узлах, дренирующих кожу.