Биохимия мышечной ткани и миокарда Кафедра биохимии Лектор

Биохимия мышечной ткани и миокарда Кафедра биохимии Лектор профессор Грицук А. И. для студентов 2 -го курса

Основные функции мышечной системы n n n движение, стимуляция метаболизма, генератор проприцептивной импульсации в ретикулярную формацию стимуляция вегетативных функций депо белка, электролитов и др. 3

Общая характеристика мышечной ткани n 35 -50 % от массы тела n n n У детей – 25 %, у пожилых – 35 % Высокий КПД: 40 -50% Относительная автономия. 4

Относительная автономия мышечной ткани n n n n Определяется наличием: Депо субстратов (гликоген и ЖК) Депо О 2 (окси Мb) Депо ~ (креатин~фосфат) Депо Са 2+ (СР) Система стабилизации [АТФ] Система стабилизации р. Н (ансерин, карнозин) Мощная АОЗ Много БТШ 5

Сравнительная хар-ка Мb и Нb Мb: n n n Мономер (предшественник Нb Более высокое чем у Нb сродство к О 2 Кривая насыщения О 2 - гипербола Нb n n n Тетрамер (2 а 2β) Сродство к О 2 ниже чем у Мb Кривая насыщения О 2 сигмоидная, отражает кооперативные переходы субъединиц Нb при взаимодействии с О 2 6

Субстраты метаболизма: Гликоген мышечной ткани n n В скелетных мышцах хранится около ¾ всего гликогена организма. В печени – большая часть из оставшейся ¼. n Глюкоза не может выйти из мышц, так как в мышцах отсутствует фермент Г 6 Ф -аза. 7

Депо макроэргов: Креатин~фосфат n В мышцах, наряду с АТФ, имеется дополнительный энергетический резерв – креатинфосфат (КФ). 8

Креатин-фосфат переносчик ~ 9

Механизмы стабилизации [АТФ] n В процессе мышечного сокращения АТФ 4– → АДФ 3– + Фн 2 - + Н+ АДФ 3– имеет ~ которую можно использовать в аденилаткиназной реакции n 2 АДФ 3– ↔ АТФ 4– + АМФ 2 -, Для смещения реакции вправо АМФ 2 гидролизуется АМФ-дезаминазой АМФ 2 - → ИМФ + NH 3 10

Стабилизация р. Нi Дипептиды: ансерин и карнозин n Закислению препятствуют буферные дипептиды ансерин и карнозин, содержащие гистидин. 11

Гипокинезия n n n Гипокинезия – существенное ограничение двигательной активности. Объем двигательной активности за последние 100 лет уменьшился в 20 раз. Последствия гипокинезии сказываются практически на всех органах – гипокинетический синдром (ГКС). 12

Патогенез ГКС (1 -й этап) n n Дефицит проприоцептивной информации Стресс (как реакция организма на недостаток проприоцептивной информации) n Эффекты континсулярных гормонов: катехоламинов, глюкокортикоидов, T 3, T 4 и др. n Активация гликогенолиза - гипергликемия n Активация протеолиза, липолиза, ГНГ n Увеличение концентрации ЖК в крови n Разобщение окисления и фосфорилирования n Усиление катаболических процессов в организме n Увеличение теплопродукции 13

Механизм развития ГКС ЦНС Эндокринные железы Стресс Адреналин Инсулин Глюкоза ↑ ТТГ, T 3, T 4, СТГ, АКТГ, кортизол Жиры ГНГ Глицерин Белки АК Мы шц ы O/Ф↓ ЖК ↑ O 2 14

Патогенез ГКС (2 -й этап) n n Увеличение потребления кислорода (гипокинетический парадокс) Снижение массы мышечной ткани n n Резорбция костной ткани, остеопороз, ухудшение минерального обмена. n n снижение физ. нагрузки, пьезоэлектрический эффект. Потеря с мочой электролитов Na+, K+, Ca 2+ n n протеолиз Как следствие уменьшения количества клеток Увеличение частоты спонтанных мутаций n Следствие высокой концентрации NADH генерация 15 АФК.

Патогенез ГКС (вывод) n Гипокинетический синдром – диссипативный процесс, вызывающий распад структуры и превращающий ее в тепло, рассеивающееся в окружающей среде. 16

Поперечно-полосатые мышцы 1. Скелетные мышцы 1. 2. Белые мышцы (быстрые) Красные мышцы (медленные) Сердечная мышца 17

Скелетные мышцы (2 типа) n n Красные мышцы, способные к продолжительной деятельности. Богаты гемопротеидами: n n n Хорошее кровоснабжение –Hb. Запас кислорода – Mb миоглобин. Большое количество митохондрий – цитохромы. Преобладает аэробный метаболизм, главный энергоресурс – окисление ЖК. Белые мышцы, функционирующие в импульсном режиме (недолго и быстро). n Главный энергоресурс – запасы гликогена, анаэробный гликолиз. 18

Скелетные мышцы: белые, быстрые n n большой , запас эндогенный субстратов (гликоген, кр~фосфат), хорошо развит СР, основной энергетический процесс – анаэробный гликолиз 19

Скелетные мышцы: красные, медленные n n Малый , хорошо кровоснабжаются, много Мх, СР менее развит, активна Ca 2+-АТФаза, запасы эндогенного субстрата – жир (ТГ), Энергообеспечение – аэробные процессы 20

Характеристика красных и белых волокон Признаки Красные Белые Относ. волокон Малый Большой Тип сокращения Медленное Быстрее в 5 раз Васкуляризация Высокая Слабее Тип обмена (Мх) Много (аэробный) Мало (анаэробный) Миоглобин Много Мало Главный источник АТФ Окисление ЖК Гликолиз (процесс) Главный энергорезерв ЖК (ТГ и ФЛ) Гликоген в мышцах СР Слабо развит Хорошо развит Нервно-мышечный синапс Слабо развит Хорошо развит 21

Сердечная мышца n n Сочетают свойства обоих волокон Значительное количество Мх до 2530% объема клетки. Кардиомиоциты рано перестают делиться. Очень быстрая замена белков, особенно сократительных n Полная замена за один месяц. 22

Особенности биохимии миокарда Аэробный фенотип метаболизма - Аэробная ткань (7 -20% всего кислорода) аэробные изоферменты. n ЛДГ 1 и ЛДГ 2 n КФК 2 (MB-изоформа). Высокая скорость ЦТК, b-окисления ЖК, очень низкая – анаэробного гликолиза (субсарколеммальная локализация). На сарколемме высокая активность АТФ-аз. Энергосубстраты – ЖК, кетоновые тела глюкоза, лактат. . n Особенно активно из крови миокард извлекает ненасыщенные ЖК – олеиновую кислоту. Интенсивный метаболизм АМК Ал. АТ, Ас. АТ. СР развит хорошо, однако Ca 2+ поступает из внеклеточной среды. n n n 23

Дыхательный фенотип 24

Гликолитический фенотип 25

Субстраты метаболизма n n n Мышечная ткань использует разные субстраты метаболизма: глюкозу, жирные кислоты, кетоновые тела. Скелетные мышцы различаются по энергозатратам в зависимости от их активности. В покоящейся мышце главным энергетическим субстратом являются жирные кислоты: n n При физической нагрузке главным субстратом становится глюкоза. Поэтому в мышцах имеется значительный запас гликогена. 26

Субстраты метаболизма: лактат, аланин, циклы Кори и Фелига n n n При физической нагрузке скорость анаэробного гликолиза в мышце выше, чем ЦТК лактат накапливается и выходит из клеток. Другой продукт метаболизма –Ала образуется при переаминировании ПВК. Лактат и Ала транспортируются с кровотоком в печень, где снова превращаются в глюкозу (ГНГ). n n Глюкозо-лактатный цикл (Кори). Глюкозо-аланиновый цикл (Фелига). 27

Субстраты метаболизма: Белки n Мышечные белки также могут использоваться для энергообеспечения. n n Однако этот процесс энергетически невыгоден и вреден – снижает шансы на выживаемость организма. Поэтому катаболизм мышечных белков в нормальном состоянии минимален, увеличивается лишь в крайнем случае (напр. при голодании). 28

Энергетический метаболизм мышц n При интенсивной мышечной работе: АТФ 4 - → АДФ 3 - + Фн 2 - + H+ n актомиозин проявляет свойства АТФ-азы; 29

Энергетический метаболизм мышц (прод. ) n n n Скорость гидролиза АТФ превышает скорость его синтеза. АДФ накапливается, но не используется ни в каких реакциях, кроме аденилаткиназной: n 2 АДФ ↔ АТФ + АМФ (миоаденилаткиназа) В ходе аденилаткиназной реакции накапливается АМФ. Снижает его концентрацию фермент АМФ-дезаминаза: n АМФ → ИМФ + NH 3 30

Цикл пуриновых нуклеотидов 31

Энергетический метаболизм мышц (прод. ) n Выделяющийся аммиак должен элиминировать в виде глн, асн или ала. n n Глу + NH 3 + АТФ → Глн + АДФ + Фн (глутамин-синтетаза) Асп + Глн → Асн + Глу (аспарагин-синтетаза) ПВК + Глу ↔ Ала + a-кетоглутарат (аланинаминотрансфераза) Эти АК с кровотоком достигают печени, где используются как субстраты ГНГ. Т. обр. , мышцы играют важную роль в межорганном обмене субстратами (циклы Кори и Фелига). 32

Метаболизм АКРУЦ в мышцах n Мышцы – наиболее важный участок деградации АК с разветвленной углеводородной цепью (АКРУЦ): вал, иле, лей. n Эти соединения катаболизируют до сукцинил-Ко. А (иле, вал) и ацетил-Ко. А (лей). 33

Метаболизм белков и аминокислот в мышцах 34

Пути утилизации АТФ в мышце Электрическая работа составляющая АТФазную активность , : 1. 1. 2. 3. 2. Na+/K+-АТФ-аза – способствует поддержанию потенциала покоя; транспорт субстратов. Ca 2+-АТФ-аза – мышечное расслабление, Mg 2+-АТФ-аза – стабилизация АТФ, и т. д. Механическая работа – АТФ-зависимый процесс (сокращение и расслабление мышц) – (распад актомиозинового комплекса и откачивание Ca 2+ из саркоплазмы) 35

Электромеханическое сопряжение (ЭМС) ЭМС - преобразование нервного импульса (электро) в мышечное (механическое) сокращение v сопряжение электрики и механики Сопрягающий фактор ЭМС - Ca 2+ 36

Ca 2+ - фактор ЭМС n Кальмодулин (КМ) консервативный белок связывает 4 иона Ca 2+ n n n Ca 2+in – 10 -7 - 10 -8 М. Ca 2+out – 10 -3 М Ca 2+активирует ферменты: ДГ ЦТК : ПВК-ДГ, ИЦ-ДГ и a-КГДГ, МДГ n. Триглицеридлипазу n n Ca 2+- КМ зависимых киназы (гладкой мускулатуры) 37

Механизм ЭМС Na+ Ca 2+(out) K+ адреналин Na+-K+АТФаза b АТФ АДФ + Фн Na+ Актин K+ Tn. I Ca 2+ Tn. C TM Миозин Tn. T PKC Актомиозин Ац-Ко. А АТФ АДФ + Фн ДЦ ЦТК Мх O 2 H 2 O CO 2 ц. АМФ Δψ↓ ОА PKA a IP 3 (in) Ca 2+/КМ ЖК ПВК Ca 2+ СР ТГ Гл Гликоген 38

Ригорный комплекс (трупное окоченение) n n Ригорный комплекс образуется в результате нарастающего дефицита кислорода АТФ↓ Ca 2+↑ актомиозиновый комплекс не диссоциирует. Через ≈2 -3 часа ригорный комплекс разрушается (действие лизосомальных протеаз) ткани мышц снова становятся мягкими. 39

Мышечные белки n n n Мышцы содержат уникальный набор белков, которые можно разделить на следующие группы: Сократительные: актин и миозин. Регуляторные: n n n Основные: Тропомиозин, тропонины (I, C, T) Минорные: Миомезин; креатинкиназа; M-, C-, F-, H-, I-белки; a-, b-, g-актинины, филамин, паратропомиозин. Белки цитоскелета: n Тайтин-1, тайтин-2, небулин, винкулин, десмин (скелетин), виментин, синемин, Z-протеин, Z-nin, дистрофин. 40

Актин n n Длинный, закрученный белок (фибриллярный актин, F-актин) составленный из мономеров глобул (Gактин). Мономера G-актина состоит из двух доменов. Молекулярная масса 42 000 D. 42

Актин (продолжение) n n n Связывание АТФ мономером G-актина вызывает полимеризацию (т. е. , формирование F-актина). АДФ, образующийся после гидролиза АТФ, остается связанным с актином. F-актин образует двойную спираль. Каждая субъединица актина в тонком филаменте содержит участок, способный связываться с миозином. 43

Строение тонкого филамента n n Тонкие филаменты состоят из: n Спирали F-актина n Тропомиозина (фибриллярный димерный белок, уложенный вдоль желоба актиновой спирали) n И трех белков, называемых тропонинами I, C и T. Тропомиозин и тропонины препятствуют связыванию актина с миозиновыми головками, пока концентрация ионов кальция меньше 10 -5 М. n В покоящейся мышце концентрация Ca 2+ ~10 -7 M. 44

Миозин n Молекула миозина состоит из 6 полипептидных цепей: n n n двух идентичных тяжелых цепей (M = 230, 000). И четырех легких цепей (M = 20, 000). Весь молекулярный комплекс имеет молекулярную массу 540, 000. 45

Общее строение скелетных мышц Скелетные n n поперечнополосатые мышцы состоят из параллельных пучков мышечных волокон. Каждое волокно – одна большая многоядерная клетка. Большую часть объема мышечных клеток занимают миофибриллы толщиной 1 -2 мкм, простирающиеся на всю длину мышечного волокна. Функциональной единицей мышечной клетки является саркомер. 49

Строение мышечной клетки n Поперечные трубочки (Т-трубочки) – впячивания сарколеммы в мышечное волокно, располагаются в Zлиниях, контактируют с цистернами саркоплазматического ретикулума, образуя триады. 51

Транспорт Ca 2+ в СР 52

Потенциал-зависимые Ca 2+ каналы (дигидропиридиновые рецепторы, DHPR) n n n Олигомеры – 2 большие субъединицы (a-1 и a-2) и 3 малые (b, g, и d) Выполняют ключевую роль в электромеханическом сопряжении. Чувствительны к блокаторам кальциевых каналов (1, 4 дигидропиридины - нифедипин). 54

Нифедипин n Нифедипин с высоким сродством связывается с DHPR Tтрубочек. 55

Патологии DHPR n n n Гипокалиемический периодический паралич; Предрасположенность к тиротоксическому периодическому параличу; Предрасположенность к злокачественной гипертермии. 56

Ca 2+ каналы – рианодиновые рецепторы n n Ca 2+-каналы саркоплазматического ретикулума – рианодиновые рецепторы (RYR) – главный источник кальция для мышечного сокращения. Известны 3 изоформы этих рецепторов: RYR 1, RYR 2 and RYR 3. n n n RYR 1 – в скелетной мускулатуре, RYR 2 – в миокарде, RYR 3 – в головном мозгу. 57

Рианодин n Рианодин – растительный алкалоид, связывается с RYR и модулирует его действие. 58

Строение RYR 59

Патологии RYR n n RYR 1: n Предрасположенность к злокачественной гипертермии; n Миопатии с внешней офтальмоплегией. RYR 2: n Желудочковая тахикардия, полиморфная стрессиндуцированная тахикардия; n Семейная аритмогенная правожелудочковая дисплазия. n При сердечной недостаточности RYR 2 гиперфосфорилирован под действием протеинкиназы А, что приводит к нарушению функции канала и повышенной чувствительности к активации кальцием. 60

Кальсеквестрин n n n Кальсеквестрин (CASQ) – кислый гликопротеин, находящийся в просвете терминальных цистерн СР связывает ионы Са 2+ и выполняет запасающую функцию. 2 изоформы: n n CASQ 1 - в скелетных мышцах, CASQ 2 - в сердечной мышце. 65

Патологии кальсеквестрина n Миссенс-мутация в гене CASQ 2 – причина аутосомального рецессивного заболевания у бедуинов Израиля катехоламининдуцируемая полиморфная желудочковая тахикардия. 66

Кальмитин n Кальмитин – митохондриальный кальций-связывающий белок, специфичный для быстрых белых мышц. n Отсутствует у пациентов с миодистрофиями Дюшенна и Беккера. 67

Остальные белки мышц n Основные белки мышц: n n Миозин и актин – 65% Тропомиозин и тропонины – 5%. Остальные белки -25% (выполняют важные функции в поддержании мышечной структуры и регуляции мышечного сокращения). Регуляторные белки разделяются на: n n Связанные с миозином; Связанные с актином. 68

Белки, связанные с миозином n 3 основных белка, находящихся в области М-дисков. n n Белок M (165 k. D), Миомезин (185 k. D), Креатин киназа (димер, субъединица 42 -k. D). Поддерживают структурную целостность миозиновых филаментов. 69

Остальные белки, связанные с миозином n Белок C (135 k. D), n n Ингибирует активность мышечной АТФазы при низкой ионной силе, и активирует при физиологических значениях. Белок F (121 k. D), Белок H (74 k. D), Белок I (50 k. D). n Роль белков F, H и I пока неясна. 70

Белки, связанные с актином n Кроме тропомиозина и тропонинов с актином также связаны n a–актинин (гомодимер, субъединица 95 -k. D), n n Обнаружен в области Z линий, активирует сокращение актомиозина. Предположительно, участвует в прикреплении актина к Z линиям. b-актинин (гетеродимер, субъединицы по 37 k. D и 34 -k. D), g-актинин (мономер, 35 -k. D), паратропомиозин (гомодимер, 34 -k. D). 71

Строение актининов n a-Актинин – гомодимер из антипараллельных субъединиц. n N-конец – актинсвязывающий домен, n C-конец – содержит EFhand домены. n Разделены центральным доменом, состоящим из 4 повторов по 122 аминокислотных остатка. 72

Роль актининов и паратропомиозина n n Повторы в a–актинине гомологичны 106 аминокислотным повторам в спектрине – главном структурном белке цитоскелета эритроцитов. b-Актинин специфически связывается с концами актиновых нитей. g-Актинин ингибирует полимеризацию актина. Паратромомиозин похож на тропомиозин, расположен на стыке зон A и I. 73

Регуляция мышечного сокращения кальцием 74

Динамика тайтина n Большие филаменты тайтина и небулина остаются связанными с толстыми и тонкими филаментами при мышечном сокращении. 75

Система филаментов тайтин-небулин n Нити тайтина прикреплены к Z-диску и проходят посередине толстых филаментов. n n Таким образом, толстые филаменты присоединены к обоим Z -дискам с помощью тайтина Небулин связан с тонким филаментом от (+)-конца на Z-линии до (-)-конца. 76

Особенности сокращения гладкой мускулатуры n n n Гладкомышечные клетки расположены менее упорядоченно. Рыхлые пучки актиновых и миозиновых филаментов заполняют цитоплазму клетки. Эти пучки связаны с плотными тельцами в цитозоле и прикрепительными бляшками на мембране. 78

Сокращение гладких мышц n n Пусковой механизм в сокращении гладких мышц – повышение [Ca 2+] в клетке. Ca 2+ связывается с кальмодулином, активирует киназу легких цепей миозина. Фосфорилирование легких цепей миозина вызывает сокращение. Процесс сокращения в гладких мышцах происходит значительно медленнее. 79

Биохимические основы развития сердечной недостаточности (СН) n Нарушение энергетического метаболизма. n n n Дефицит O 2 (ишемия, гипоксия, аноксия) Несоответствие нагрузки функциональной воможности миокарда Дефицит субстратов (Гл, ЖК, КТ, лактат, ПВК и др. ) В саркоплазме накапливается Ca 2+ Митохондрии аккумулируют значительную часть Ca 2+ Разобщение дыхания и фосфорилирования. 80

Разобщение дыхания и фосфорилирования Ca 2+ n Фн Ca 2+ гидроксиаппатит n Поступление Ca 2+ в МХ снижает мембранный потенциал (Δψ) энергодефицит. Гидроксиаппатит плохо растворим уменьшается резерв фосфата. 81

Формирование кислородного долга в миокарде МХ ↑ ДГ-реакции ЦТК ↑ Ca 2+(in) ↑ДЦ ΔμH+↓ ↑О 2 Кислородный голод 82

Роль Ca 2+ в снижении функциональной активности миокарда Ca 2+(in) Кальпаины (Ca 2+-зависимые протеиназы и пептидазы) Ca 2+-зависимые протеинкиназы ↑ Гликолиз, ↑ Липолиз ↓ Эндогенный запас субстратов Уменьшение мышечной массы 83

Последовательность развития СН n При сердечной недостаточности (СН): n n Слабая мышечная стенка растягивается (дилатация). Повышается синтез коллагена рубцевание миокарда препятствует дилатации снижается эластичность. Ca 2+ ↑ анаэробный гликолиз ↑образование волокон белого типа гипертрофия миокарда усиление биосинтеза мышечных белков. Ca 2+ активирует процессы перекисного окисления (↑ NADH). 84

Биохимические основы коррекции СН (1) 1. Аэрация миокарда 1. 2. Нормализация ионного и энергетического баланса 1. 2. 3. Препараты K+ (печеный картофель, изюм, урюк и т. п. ) Инъекции препаратов глюкозы, инсулина и K+ Сердечные гликозиды (СГ) (наперстянки, ландыша, строфанта Комбе) – дигитоксин, дигонин, конваллятоксин, строфантин K, коргликон (смесь разных СГ). 1. 4. Нормализация кровообращения Высокоспецифичные ингибиторы Na+/K+-АТФазы. Применение ингибиторов кальциевых каналов и антагонистов Ca 2+. 85

Биохимические основы коррекции СН (2) n Препараты, увеличивающие уровень АТФ в миокарде n n Рибоксин (инозин) Аспаркам, панангин (глу, асп, K+, Mg 2+) n n L-Карнитин (Элькар®) n n n Инозин → ИМФ (+асп) → Аденилосукцинат → АМФ → АДФ → АТФ Осуществляет транспорт ЖК в МХ. Антиоксиданты (компл. вит. C, A, E) Бетаин – аналог SAM n n Синтез холина в печени – нормализация липопротеидного обмена. Синтез креатина – оптимизация энергообеспечения. 86

137 Cs на энергетический Воздействие метаболизм мышечной ткани (1) n Инкорпорированный 137 Cs реализует свой эффект через неспецифическую систему защиты от гипоксии. n n При гипоксии ↑ NADH Клетка продуцирует активные формы кислорода (АФК) и азота (АФА) – сигналы о гипоксии. Миоциты сосудов при этом расслабляются, сосуды расширяются проблема оксигенации решается. Продолжительно высокий уровень выработки АФК и АФА – угроза окружающим клеткам. Апоптоз – элиминация несостоятельных клеток – скудение и старение популяции клеток. 87

Воздействие 137 Cs на энергетический метаболизм мышечной ткани (2) n n Инкорпорация 137 Cs (b-излучатель) ↑АФК. ↑ Продукция АФК и АОА ведет к истощению АОЗ. Клетки с инкорпорированным радионуклидом воспринимаются как несостоятельные и погибают путем апоптоза. Создаются предпосылки для развития мышечных патологий. 88

137 Cs+ + 2 1 - 3 Снижение H и образования АТФ + 1 – Электрофорез K+/ 137 Cs+ в МХ; 2 – KATP-канал; 3 – K+/H+-антипортер; 4 – электронтранспортная цепь. + 4 - [H+] 137 Cs+ АТФ O 2 H+ Образование АФК Активация ПОЛ Образование лизоформ СЖК и др. Разобщение ОФ Стимуляция дыхания Деэнергизация Набухание МХ Повреждение клетки Апоптоз Усиление Ослабление Влияние 137 Cs на митохондрии 89

90