Механизм мышечного сокращения (теория скользящих нитей Х. Хаксли и Э. Хансон)

Согласно общепринятой теории мышечного сокращения (теории скользящих нитей, основоположниками которой явились Хью Хаксли и Эндрю Хансон) сами актиновые и миозиновые филаменты при сокращении мышечного волокна не изменяют своей длины; укорочение же саркомеров, миофибрилл и в целом поперечно-полосатых мышечных волокон осуществляется благодаря скольжению актиновых протофибрилл вдоль миозиновых. Скольжение же одних нитей миофибриллы вдоль других возможно благодаря их взаимодействию друг с другом, но для того, чтобы такое взаимодействие реализовалось, необходимы определенные условия. Так, некоторые участки фибриллярного актина актиновой протофибриллы потенциально способны взаимодействовать с миозиновыми головками миозиновых протофибрилл, образуя актомиозиновые мостики. Такие участки фибриллярного актина, способные взаимодействовать с миозиновыми нитями, получили название активных центров актина, и локализованы эти активные центры на уровне контакта в актиновой нити тропонина с тропомиозином. В случае отсутствия ионов кальция в составе белка тропонина (при низкой концентрации ионов кальция в саркоплазме волокна, характерной для расслабленного состояния) конформация тропонина и тропомиозина такова, что они закрывают активные центры фибриллярного актина и делают невозможным их взаимодействие с миозином. Повышение же концентрации ионов кальция в саркоплазме мышечного волокна приводит к тому, что тропонин, обладающий высоким сродством к кальцию, начинает его связывать, в результате чего изменяется конформация, как самого тропонина, так и прилежащего к нему тропомиозина. И это приводит к открытию активных центров актина, взаимодействие которых с миозиновыми головками сопровождается скольжением актиновых филаментов вдоль миозиновых (продвижением актиновых нитей вглубь темных А-дисков).

Повышение же концентрации ионов кальция в саркоплазме мышечного волокна, являющееся необходимым условием для дальнейшего возможного взаимодействия актиновых и миозиновых нитей, инициируется приходящим к мышечному волокну нервным импульсом (потенциалом действия). Так, возбуждение скелетного мышечного волокна возникает под влиянием нервного импульса, приходящего по иннервирующему его нервному волокну (аксону мотонейрона). Возникший на мембране скелетного мышечного волокна нервный импульс, в свою очередь, распространяется как вдоль волокна, так и вглубь (по мембране Т-трубочек). Деполяризация же мембраны Т-трубочек через специальные электрические синапсы (щелевые контакты) передается на мембрану боковых цистерн СР, что приводит к резкому повышению ее проницаемости для ионов кальция (по причине открытия электровозбудимых кальциевых каналов). Повышение же проницаемости боковых цистерн СР для кальция делает возможной усиленную их диффузию (пассивный транспорт) по концентрационному градиенту (из боковых цистерн СР в саркоплазму, где концентрация кальция на несколько порядков ниже таковой в СР). Таким образом, ионы кальция в мышечном волокне выступают в качестве сопрягающего фактора между возбуждением и последующим вызванным им сокращением волокна.

Рис. 10. Схема, отражающая механизм сопряжением между возбуждением мембраны скелетного мышечного волокна и последующим сокращением (на примере скелетного мышечного волокна лягушки, поскольку в данной схеме Т-трубочки находятся на уровне Z-мембран)

показано движение ионов кальция (пассивно выходят из боковых цистерн СР в цитоплазму волокна, но обратно транспортируются активно в продольные цистерны СР), точками обозначено повышение концентрации ионов кальция в цитоплазме волокна.

Скольжение тонких нитей вдоль толстых обеспечивает чередование рабочих циклов. Каждый рабочий цикл включает несколько стадий:

1. прикрепление миозиновой головки к миозинсвязывающему участку актиновой нити (активному центру актинового филамента), которое становится возможным в результате изменения конформации тропонин-тропомиозинового комплекса, индуцированного присоединением ионов кальция к тропонину (его кальцийсвязывающей субъединице);

2. изменение конформации миозиновой головки вследствие присоединения актина. Причем это изменение конформации миозиновой головки проявляется в форме "гребкового" ее движения, обеспечивающего продвижение актиновой нити к центру саркомера на один "шаг" (20 нм);

3. взаимодействие миозиновой головки с молекулой АТФ, сопровождающееся, с одной стороны, повышением АТФазной активности миозиновой головки (в присутствии актина) и последующим гидролизом АТФ, а с другой – снижением сродства актина к миозину и распадом актомиозинового комплекса. При этом меньшая часть энергии макроэргической связи АТФ обеспечивает восстановление исходного конформационного состояния миозиновой головки, а большая рассеивается (диссипирует) в форме тепла (поскольку ни одна живая система не работает со 100% КПД).

Рис. 11. Схема взаимодействия между миозиновыми и актиновыми нитями.

Головки миозина совершают около 5 циклов в секунду, причем головки разных молекул производят тянущее усилие асинхронно. Следующие друг за другом "гребковые" движения миозиновых головок стягивают тонкие нити к центру саркомера, а поскольку в процесс сокращения практически одномоментно вовлечены все саркомеры мышечного волокна, происходит его укорочение.

Рис. 12. Схема, отражающая нормальное (характерное для состояния покоя) и укороченное состояние саркомера.

Расслабление мышечного волокна осуществляется благодаря работе системы активного транспорта СР Са²⁺-АТФазы (Са²⁺-насоса, встроен в мембрану продольных цистерн СР, представляет собой белок переносчик ионов кальция, ассоциированный в мембране продольных цистерн СР с ферментом АТФазой), активирующейся повышенной концентрацией ионов кальция в саркоплазме волокна и закачивающей ионы кальция в продольные цистерны СР, где он связывается с белком кальсеквестрином. Понижение же концентрации кальция в саркоплазме мышечного волокна приводит к закрытию тропомиозином активного центра актина и невозможности дальнейшего его взаимодействия с миозином.

Взаимодействие актиновых и миозиновых нитей в гладком мышечном волокне осуществляется во многом аналогично таковому в миофибриллах поперечно-полосатых мышечных волокон. Однако, по причине отсутствия упорядоченности в расположении всех актиновых и миозиновых филаментов волокна друг относительно друга, а также относительно его продольной оси, сокращение гладкого мышечного волокна, как правило, проявляется не в укорочении, а в некотором сжатии (деформации). Наконец, ионы кальция, выступающие в качестве сопрягающего фактора между возбуждением и сокращением мышечного волокна, поступают преимущественно в гладкомышечную клетку не из цистерн СР (который в гладкомышечной ткани слабо развит), а из межклеточных щелей, обеспечивая тем самым фазу деполяризации потенциала действия.

А Б

Рис. 13. Общий вид расслабленного (А) и сокращенного (Б) гладкого мышечного волокна (миоцита).

Поиск по сайту: