 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Механизм сокращения мышцы
Механизм мышечного сокращения на молекулярном уровне объясняет теория скользящих нитей, разработанная Хаксли и Хансон (1954).
При электронной микроскопии обнаружено, что на миозиновых нитях имеются выступы, получившие название поперечных мостиков. Поперечные мостики, состоящие из головки и шейки, протянувшиеся от миозиновых нитей, в спокойном состоянии не могут соединиться с актиновыми нитями из-за особого расположения тропомиозина, закрывающего активные центры актина и препятствующего их взаимодействию с поперечными мостиками миозина. Тропонин подавляет миозин-АТФазную активность, что делает невозможным расщепление АТФ, в результате мышечные волокна пребывают в расслабленном состоянии (рис.11).
Рис.11. Действие Са2+ во время активации миофибриллы.
А. Актиновая и миозиновая нити на продольном сечении волокна.
Б. Они же на поперечном сечении. Когда Са2+ связывается с тропонином, тропомиозин попадает в желобок между двумя мономерами актина, обнажая участки прикрепления поперечных мостиков (по Haxley, 1973 c изменениями Р.Шмидта и Г. Тевса, 1995).
Сокращение скелетной мышцы волокон начинается с приходом нервного импульса к сарколемме, который приводит к формированию ПД. Возникающий ПД распространяется по поверхностной мембране, а также по мембранам, выстилающим поперечные трубочки Т-системы. Проникая внутрь волокна, электрическая волна приводит к деполяризации мембран продольных трубочек и цистерн саркоплазматического ретикулума. Деполяризация мембраны цистерн открывает электровозбудимые кальциевые каналы. В связи с тем, что в саркоплазме концентрация кальция менее 10-7 М/л, а в саркоплазматическом ретикулуме − более 10-4 М/л, начинается интенсивный выход ионов кальция в саркоплазму. Выделившийся свободный Са2+ и является инициатором мышечного сокращения.
Достаточный для начала мышечного сокращения уровень ионов кальция достигается через 12-15 мс после прихода нервного импульса. Это скрытый, латентный период мышечного сокращения. В связи с тем, что скорость распространения ПД по сарколемме выше времени, необходимого для выделения Са2+из саркоплазматического ретикулума, то все фибриллы участка мышцы, иннервируемого одним нервом, сокращаются одновременно.
Совокупность явлений, обусловливающих связь между возбуждением (потенциалом действия) и сокращением мышечных волокон, получила название «электромеханического сопряжения», или «электромеханической связи».
Рис. 12. Взаимоотношения клеточной мембраны (1), поперечных трубочек (2), боковых цистерн (3) и продольных трубочек (4) саркоплазматического ретикулума, миозиновых и актиновых нитей (5) мышечного волокна. А—в состоянии покоя; Б—во время сокращения.
Деполяризация мембраны и поперечных трубочек вызвала освобождение ионов Са2+ из боковых цистерн. Освободившиеся ионы Са2+ диффундируют по направлению к миофибриллам и частично захватываются продольными трубочками ретикулума.
Механизм инициации сократительного процесса представляется в настоящее время следующим образом. В присутствии ионов Са2+, а также АТФ тропонин изменяет свою конфигурацию и отодвигает нить тропомиозина, открывая возможность соединения головки поперечного мостика миозина с актином (см. рис.11). Соединение головки фосфорилированного миозина с актином приводит к тому, что головка приобретает АТФазную активность, в ней происходит гидролиз АТФ, сопровождаемый изменением пространственной ориентации. Последнее носит форму гребкового движения, обеспечивающего втягивание тонких актиновых миофиламентов в промежутки между толстыми миозиновыми миофиламентами на один шаг (примерно 20 нм) без изменения длины миофиламентов. После этого, образующиеся Ф и АДФ, отходят, а на их место присоединяется новая молекула АТФ. Это приводит к разрыву связи миозина с активным центром актина. Затем следуют отрыв мостика и повторение всего цикла. При каждом гребковом движении головки поперечного мостика расщепляется одна молекула АТФ. Скорость расщепления АТФ является фактором, предопределяющим частоту гребковых движений и, таким образом, скорость скольжения нитей актина относительно нитей миозина. Целая мышца укорачивается в результате сокращения множества саркомеров, соединенных последовательно в миофибриллах (рис. 12).
Обнаружено, что при сокращении скелетной мышцы лягушки поперечные мостики должны совершить за 0,1 с 50 гребковых движений, чтобы обеспечить укорочение каждого саркомера волокна на 50 %.
Таким образом, при сокращении мышцы:
− актиновые и миозиновые нити практически не укорачиваются;
− взаимодействие актина с миозином приводит к взаимному вхождению нитей в промежутки между ними;
− в результате две соседние Z-мембраны приближаются друг к другу и при максимально сильном сокращении расстояние между ними может уменьшиться почти в два раза;
− так как заключенная внутри саркомера саркоплазма несжимаема, то при уменьшении длины саркомер (мышца) расширяется;
− подобные процессы одновременно протекают во всех саркомерах мышечного волокна, поэтому оба конца мышцы подтягиваются к центру.
Расслабление мышцы. Гребковые движения («шаги») поперечных мостиков будут повторяться до тех пор, пока в саркоплазме есть свободный Са2+ (в концентрации более 10-5) и АТФ. Если нет новой волны деполяризации, то кальций быстро убирается обратно в цистерны саркоплазматического ретикулума. Работа насоса активируется самим кальцием, вернее возрастанием его концентрации в саркоплазме. Работа насоса требует затраты большого количества АТФ: для удаления каждого иона кальция используется 2 молекулы АТФ. Результатом откачивания кальция из саркоплазмы является разрыв всех связей актина и миозина и расслабление мышцы.
В целом последовательность событий в цикле сокращение—расслабление мышечного волокна представляется в следующем виде:
— поступление ПД по нервному волокну к мионевральному синапсу;
— синаптическая активация мышечного волокна;
— возникновение ПД, проведение его вдоль клеточной мембраны и в глубь волокна по Т-трубочкам;
— освобождение ионов Са2+ из боковых цистерн саркоплазматического ретикулума, диффузия его к миофибриллам;
— конформация тропонин-тропомиозинового комплекса;
— контакт поперечных мостиков миозина с актином;
— освобождение энергии АТФ;
— скольжение актиновых и миозиновых нитей, выражающееся в укорочении миофибриллы;
— активация кальциевого насоса;
— снижение концентрации свободных ионов Са2+ в саркоплазме;
— расслабление миофибрилл.
3.1.3. Энергетика мышцы. Тепловые явления, сопровождающие мышечное сокращение
Значение АТФ в мышечном сокращении впервые выявили В.А.Энгельгардт и М.Н.Любимова, которые в 1939 г. обнаружили, что мышечный белок миозин обладает свойствами фермента АТФазы. Эти же авторы показали, что под воздействием АТФ меняются и механические свойства миозина: увеличивается растяжимость его нитей. В последующие годы был открыт белок актин, который, как оказалось, активирует АТФазную активность миозина.
АТФаза миозина активируется актином в присутствии Мg2+. Следовательно, при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии Мg2+, АТФ расщепляется, высвобождая АДФ и фосфат, только в случае прикрепления головки миозина к активирующему белку - актину. (В отсутствие актина, образующийся АДФ не высвобождается, а блокирует на несколько секунд каталитический центр миозина и, таким образом, дальнейшее расщепление АТФ). В каждом цикле прикрепления-отделения поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, одна молекула на каждый мостик). Следовательно, чем больше мостиков находится в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ и сила, развиваемая мышцей; значит, эта скорость (интенсивность метаболизма), как правило, пропорциональна силе, развиваемой мышцей.
Скорость мышечного сокращения тем выше, чем быстрее движутся поперечные мостики, т.е. чем больше “гребков” они совершают в единицу времени. В результате быстрые мышцы потребляют в единицу времени больше и сохраняют при тоническом напряжении меньше АТФ (энергии), чем медленные. Поэтому для поддержания позы используются преимущественно медленные мышечные волокна, богатые миоглобином, а для быстрых движений - бедные им “белые” или светлые волокна.
Механизм, с помощью которого донор энергии − молекула АТФ − обеспечивает перемещение поперечного мостика, интенсивно изучается. По-видимому, АТФ связывается с поперечным мостиком после завершения “гребка”, давая энергию для разделения взаимодействующих сократительных белков − актина и миозина. Почти сразу же после этого миозиновые головки отделяются от актина, а АТФ расщепляется до АДФ и фосфата. Продукты гидролиза остаются на короткое время связанными с каталитическим центром, что необходимо для нового присоединения поперечного мостика к актину и следующего генерирующего силу “гребка”, во время которого происходит высвобождение АДФ и фосфата. Затем до отделения поперечного мостика с ним должна связаться новая молекула АТФ и начинается новый цикл. Ритмичная активность поперечных мостиков т. е. циклы их прикрепления к актину и отсоединения от него, обеспечивающие мышечное сокращение, возможны только при гидролизе АТФ, а значит, при активации АТФазы. Если расщепление АТФ блокировано, мостики не могут прикрепляться к актину, сопротивление растяжению и сила мышечных волокон падают до нуля и мышца расслабляется.
При гибели организма содержание АТФ в клетках снижается; когда оно переходит критический уровень, поперечные мостики остаются устойчиво прикрепленными к актиновой нити. При этом мышца находится в состоянии трупного окоченения (rigог mortis) − спастического сокращения мышц. Лишь после нарушения целостности лизосом и поступления в саркоплазму их ферментов, вызывающих лизис белков, окоченение постепенно проходит.
Таким образом, энергия АТФ в скелетной мышце используется для следующих процессов:
1) работы натрий-калиевого насоса, обеспечивающего поддержание постоянства градиента концентрации ионов по обе стороны мембраны;
2) образования мостиков − процесса скольжения актиновых и миозиновых нитей, приводящих к укорочению миофибрилл (сокращения);
3) разрыва мостиков (расслабления);
4) работы кальциевого насоса, активируемого при расслаблении волокна.
Во время активации мышцы повышение внутриклеточной концентрации Са2+ ведет к сокращению и к усиленному расщеплению АТФ; при этом интенсивность метаболизма мышцы возрастает в 100-1000 раз. Согласно первому началу термодинамики (закону сохранения энергии), химическая энергия, высвобождаемая в мышце, должна быть равна сумме механической энергии (мышечной работы) и теплообразования. Даже в отсутствие физически измеримой работы (например, во время устойчивого изометрического тетануса) происходит непрерывное преобразование химической энергии в тепловую (теплота изометрического сокращения) со скоростью, пропорциональной длительности тетануса и развиваемому напряжению. Даже изометрическое сокращение сопровождается непрерывной циклической активностью поперечных миозиновых мостиков, и “внутренняя” работа, связанная с расщеплением АТФ и теплообразованием, при этом значительна. Недаром даже такая “пассивная деятельность”, как “стойка смирно”, утомительна. Когда мышца поднимает груз, совершая “внешнюю” работу, расщепляется дополнительное количество АТФ. При этом усиление интенсивности метаболизма пропорционально выполненной работе (эффект Фенна).
Коэффициент полезного действия. Гидролиз одного моля АТФ дает примерно 48 кДж энергии. Однако лишь около 40-50% ее превращается в механическую энергию работы, а остальные 50-60% рассеиваются в виде тепла при запуске (начальная теплота) и во время сокращения мышцы, температура которой при этом несколько повышается. Таким образом, к.п.д. элементарного преобразования АТФ в миофибриллах составляет примерно 40-50%. Однако в естественных условиях механический к.п.д. мышц обычно гораздо ниже - около 20-30%, так как во время сокращения и после него процессы, требующие затрат энергии, идут и вне миофибрилл. Эти процессы, например работа ионных насосов и окислительная регенерация АТФ, сопровождаются значительным теплообразованием (теплота восстановления). Чем больше совершенная работа, тем больше образуется тепла и расходуется энергоресурсов (углеводов и жиров) и кислорода. Такая закономерность, кстати, объясняет усталость, усиленное потоотделение и одышку при подъеме в гору, но не при спуске.
Энергетический метаболизм. Во время продолжительной равномерной мышечной активности происходит аэробная регенерация АТФ, главным образом за счет окислительного фосфорилирования. Необходимая для этого энергия выделяется в результате окисления углеводов или жиров. Вся система находится в состоянии динамического равновесия, при котором скорости образования и расщепления АТФ равны, так что внутриклеточные концентрации АТФ (= 5 мМ) и креатинфосфата (= 30 мМ) постоянны. При продолжительных спортивных нагрузках скорость расщепления АТФ в мышцах, от которой непосредственно зависит их мощность, часто в 100 или даже в 1000 раз больше, чем в состоянии покоя. Устойчивое состояние, а следовательно, и продолжительная нагрузка возможны, только если скорость ресинтеза АТФ в результате окислительного фосфорилирования возрастает параллельно его расходу. При этом потребление О2 мышечной тканью увеличивается в 50-100 раз по сравнению с состоянием покоя, потому что для образования 1 моля АТФ требуется примерно 1/6 моля О2. Соответственно повышается и скорость расщепления гликогена в мышце. Интенсивность ее работы может ограничиваться активностью митохондриальных ферментов, определяющей скорость окислительного расщепления глюкозы; эта активность достигает предела, на пример во время бега хорошо тренированного стайера со скоростью 6 м/с.
Предел, характерный для продолжительной работы, может быть превзойден при кратковременном усилии (например, при финальном спурте во время соревнований по бегу) за счет расщепления дополнительного количества гликогена анаэробным путем, т.е. посредством гликолиза. При этом АТФ образуется в 2-3 раза быстрее, а механическая энергия мышцы в 2-3 раза выше, чем при длительной работе, обеспечиваемой аэробными механизмами. Спринтер может бежать почти вдвое быстрее(10 м/с) стайера. Предельное время для такой повышенной нагрузки составляет примерно 30с из-за ограниченности ресурсов анаэробного метаболизма, необходимых для поддержания высокой скорости образования АТФ, а также вследствие накопления в клетке и крови молочной кислоты, образующейся при гидролизе АТФ. В конечном итоге развивается метаболический ацидоз, ограничивающий работоспособность и вызывающий утомление. Применение метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопии) теперь позволяет проследить in situ за вязанными с утомлением изменениями внутриклеточного рН и накоплением таких метаболитов, как фосфат и АДФ в сердечной и скелетной мускулатуре. Анаэробные процессы необходимы для обеспечения энергией не только кратковременного экстремального усилия, но и в начале продолжительной мышечной работы, потому что адаптация скорости окисления (и гликолиза) к возросшей нагрузке требует некоторого времени. Равновесное состояние, когда путем окислительного фосфорилирования в единицу времени образуется столько же АТФ, сколько расщепляется АТФазой, наступает только через 0,5-2 мин (“второе дыхание”).
До достижения этого динамического равновесия АТФ ресинтезируется по реакции Ломана из АДФ и креатинфосфата со скоростью, позволяющей поддерживать внутриклеточный уровень АТФ практически постоянным:
АДФ + креатинфосфат = АТФ + креатин
В результате внутриклеточный уровень креатинфосфата падает до тех пор, пока скорость аэробного образования АТФ не вырастет настолько, что будет удовлетворять текущие потребности мышцы. Запас креатинфосфата обычно не пополняется до тех пор, пока не закончится сокращение и реакция Ломана не пойдет в обратном направлении; в первые минуты покоя, требуемый для этого АТФ, обеспечивается окислительным фосфорилированием, т. е. реакциями с потреблением О2. В результате покрывается кислородная задолженность (кислородный долг), которая приблизительно соответствует количеству энергии, полученному анаэробным путем в начале или во время работы мышцы и еще не компенсированному за счет аэробного синтеза АТФ. Кислородная задолженность, целиком обусловленная (анаэробным) гидролизом креатинфосфата, может достигать 4 л; образование энергии путем гликолиза во время предельного физического усилия способно увеличить ее до 20 л, поскольку для удаления образовавшейся и поступившей в кровь (до 1,5 г/л) молочной кислоты необходим О2. Часть лактата окисляется в миокарде, а некоторое его количество (преимущественно в печени) используется для синтеза гликогена.
Таким образом, для активной деятельности мышцы необходим постоянный ресинтезАТФ. Запас АТФ в скелетных мышцах невелик — всего примерно на 10 одиночных сокращений. Необходимый постоянный ресинтез АТФ осуществляется тремя путями.
1. Ресинтез АТФ за счет ферментативного переноса фосфатной группы от богатого энергией креатинфосфата на аденозиндифосфорную кислоту. Этот эффективный путь позволяет за несколько секунд совершить большую работу, которая выполняется, например, спринтером или штангистом. В случае интенсивной мышечной работы запасы креатинфосфата быстро истощаются и реализуются другие, более медленные способы пополнения АТФ.
2. Гликолитический путь, связанный с анаэробным расщеплением глюкозы до молочной кислоты. В результате образуются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. Этот способ ресинтеза АТФ идет быстро, но накапливающаяся молочная кислота тормозит активность гликолитических ферментов. Этот вид энергопродукции используется при больших, но непродолжительных нагрузках, например при беге на средние дистанции, и способствует сдвигам кровообращения в работающей мышце для обеспечения адекватного хода третьего типа ресинтеза АТФ.
3. Аэробное окисление глюкозы и жирных кислот в цикле Кребса, совершаемое в мито-хондриях. При этом экономичном процессе из 1 молекулы глюкозы образуется около 38 молекул АТФ, а при окислении 1 молекулы жирной кислоты — около 128 молекул АТФ. Для получения энергии таким способом требуется больше времени, чем при первых двух способах, поэтому 3-й путь ресинтеза АТФ используется во всех случаях, когда мощность сократительной активности мышцы невысокая. Отметим, что аэробное окисление глюкозы и жирных кислот (запасы свободной глюкозы, гликогена и жиров в мышцах достаточно велики) — наиболее типичный способ энергообеспечения скелетных мышц. Однако при длительной работе в организме накапливаются недоокисленные продукты (молочная кислота и др.). Создается кислородная задолженность. Такой долг погашается после работы за счет компенсатор-ной мобилизации кровообращения и дыхания (тахикардия, повышение кровяного давления, одышка). Если же работа, несмотря на наличие кислородного долга, продолжается, наступает выраженное состояние утомления, которое иногда прекращается за счет мобилизации дополнительных резервов кровообращения и дыхания («второе дыхание» спортсменов).
Максимальная мощность путей ресинтеза АТФ:
− фосфагенный (с помощью креатинфосфата) − 3,6 моль АТФ/мин;
− гликолитический − 1,2 моль АТФ/мин;
− окислительный − при окислении глюкозы − 0,8, жиров − 0,4 моль АТФ/мин.
Биомеханика мышц
Поиск по сайту: