Лекция 20 ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ Нет настолько здорового человека

Лекция 20. ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ Нет настолько здорового человека, который мог бы позволить себе мышечную бездеятельность

Общая характеристика мышц (составляют ~ 50 % массы тела). Виды мышц: поперечно-полосатые мышцы - скелетные - сердечная гладкие мышцы. l

l l l Физические свойства мышц: эластичность и упругость, напряжение (тонус), пластичность (неупругая эластичность).

Физиологические свойства мышц: l l возбудимость, автоматия, проводимость, сократимость.

Основные функции мышц: l l l l формирование позы и перемещение тела в пространстве, насосная функция сердца и сосудистый тонус, дыхание и бронхиальный тонус; передвижение содержимого полых органов (перистальтика, тонус сфинктеров), выработка тепла; депо гликогена, резерв белков и воды, механическая защита внутренних органов.

l l l Физиология скелетных мышц. Структурно-функциональная характеристика мышечных волокон. Мышечное волокно – сократительная единица скелетной мышцы (d = 10 – 100 мкм, l = 5 – 18 см, 104 -6 волокон в мышце), состоит из миосимпласта и стволовых клетоксаттелитов (камбиальный резерв), окруженных базальной мембранной Благодаря стволовым клеткам мышцы способны к физиологической регенерации (обновлении мышечных волокон) и репаративной регенерации (восстановлении мышечных волокон после гибели симпласта).

l l l Миофибриллы – сократительный аппарат мышечных волокон, расположены в миосимпласте (1 – 2 тыс. миофибрилл, составляют ~ 50 % объема волокна, d ~ 1 мкм, l = длине волокна). Саркомер – сократительная единица миофибриллы (d ~ 1 мкм, l = 2 – 3 мкм). Протофибриллы или миофиламенты (их ~ 3000 в саркомере). Актиновые нити или F–актин (~ 2000 в саркомере, d ~ 6 нм, l ~ 1, 0 мкм, содержат 400 молекул G–актина, мм = 43 к. Да), имеют миозинсвязывающие участки, расположенный друг от друга на расстоянии 10 нм. Миозиновые нити (~ 1000 в саркомере, d ~ 10 нм, l = 1, 0 – 1, 5 мкм, содержат ~ 250 молекул миозина, мм = 460 к. Да). Фрагменты миозина: легкий меромиозин (d ~ 2 нм, l ~ 100 нм); тяжелый меромиозин (l ~ 80 нм); шейка (d ~ 2 нм, l ~ 60 нм); двойная головка (l ~ 29 нм, содержит неактиную в покое АТФазу, две легких цепи миозина); имеются шарнирные участки между легким и тяжелым меромиозинами и в области шейки тяжелого меромиозина.

Регуляторные белки – тропонин и тропомиозин (лежат вдоль актиновой спирали). l Тропонин (78 к. Да) имеет три субъединицы: С – обеспечивает высокое сродство к Са 2+, Т – связь с тропомиозином, I – ингибирование взаимодействия актина и миозина. Тропонин присоединен к актину и тропомиозину (64 к. Да) так, что тропомиозин блокирует миозинсвязывающие участки актиновой нити. l Присоединение Са 2+ к С–субъединице тропонина прекращает блокаду образования актомиозиновых мостиков тропомиозином. l

Т–система, состоящая из Т–трубочки и прилегающих к ней двух цистерн гладкой ЭПС. l Т–трубочки – впячивание плазмолеммы вглубь мыщечного волокна на границе А– и I–дисков. Их мембрана имеет потенциалзависимые рецептороы дигидропиридина. l Цистерны ЭПС содержат депонированные ионы Са 2+ (~ 10 м. Моль), связанные с белком кальсеквестрином (55 к. Да, содержит много кислых аминокислот). В мембране цистерн имеются Са 2+–насос и рианодиновые рецепторы, содержащие Са 2+–канал. l Т–система передает сигнал потенциала действия плазмолеммы на цистерны ЭПС. l

Теория мышечного сокращения и расслабления (теория скольжения). l l l Электромеханическое сопряжение. Распространение ПД по сарколемме в Т-трубочки приводит к активации потенциалзависимых рецепторов дигидропиридина ее сарколеммы. Сдвиг этих рецепторов открывает Са 2+-канал рецепторов рианодина цистерн саркоплазматической сети. Выход Са 2+ из цистерн приводит к увеличению его концентрации в цитозоле с 10 -7(-8) до 10 -6(-5) М (пороговая концентрация сокращения 10 -7 М). Связывание Са 2+ с С–субъединицей тропонина увеличивает степень спирализации тропомиозина, что открывает миозинсвязывающие участки актиновых нитей.

Скольжение нитей (сокращение саркомера). l l АТФаза миозиновой головки вызывает гидролиз АТФ до АДФ и неорганическогофосфата (Фн), но продолжает удерживать оба продукта. В таком состоянии головка связывается с актиновой нитью, образуя с ее нитью угол около 90°. Отсоединение АДФ и Фн от головки миозина сопровождается основным выделением свободной энергии (силовой удар). В результате головка поворачивается в шарнирной области до угла 45° (наименьшая энергия актомиозиновой связи), осуществляя гребковое движение, что вызывает перемещение актиновой нити вдоль миозиновой на 1 % длины саркомера (на ~ 10 нм).

Расслабление миофибрилл. l l l Для расслабления миоцита необходимы два главных условия: наличие достаточного уровня АТФ и низкая концентрация Са 2+ (10 -7 М и ниже). Присоединение АТФ к головкам миозина приводит к разрушению актомиозиновых мостиков. Низкий уровень Са 2+в саркоплазме создается активацией Са 2+‑насоса и перемещением Са 2+ в цистерны гладкой ЭПС, где он связывается с белком кальсеквестрином.

l l Присоединение АТФ к головке миозина вызывает разъединение актомиозиновых мостиков. Далее головка присоединяется в новом месте – ближе к Z-линии, и цикла повторяется. При максимальном сокращении (до 50 % длины саркомера) необходимо около 50 циклов образования и разъединения актомиозиновых мостиков.

Химические и тепловые процессы при сокращении мышцы. l l l Расход энергии: на процесс сокращения используется 70 % энергии, на процесс расслабления 15 %, на работу К+, Na+‑насоса 5 %, на синтезы 10 %.

l l Образование энергии (АТФ – прямой источник энергии для функции мышц: 1 моль АТФ освобождает 30 к. Дж или 7, 3 ккал). Фосфагенный путь (резерв креатинфосфата + АТФ) и конверсия 2 АДФ в АТФ и АМФ с участием фермента аденилаткиназы может обеспечить ~ 5 с максимальной двигательной активности. Гликолиз может обеспечить 1 – 2 мин максимальной двигательной активности. Аэробное окисление глюкозы может обеспечить длительную активность средней мощности.

l l Сокращение мышц сопровождается выделением тепла (КПД мышечного сокращения ~ 50%). Тонус покоя (составляет ~ 18 % энергии основного обмена). Терморегуляторный тонус (дрожь). Физическая работа (рабочая добавка) освобождает до 4000 ккал/сут.

Нервно-мышечная передача. l l Механизм проведения возбуждения через синапс. В фазическом мышечном волокне быстрых и медленных двигательных единиц имеется один синапс с длинным пресинаптическим окончанием (1 – 2 мм). Везикулы расположены преимущественно в активных зонах пресинаптической мембраны, в одной везикуле содержится около 4 тысяч молекул ацетилхолина (квант медиатора). Ацетилхолин образуется в пресинапсе из ацетил–Ко. А и холина под действием фермента холинацетилтрансферазы

l l Потенциал действия, достигая пресинаптического окончания, открывает в его плазмолемме потенциалзависимые Са 2+–каналы. Вход Са 2+ в пресинапс индуцирует процесс экзоцитоза медиатора. При передаче возбуждения выделяется в синаптическую щель 100 – 300 квантов ацетилхолина. Ацетилхолин действует на α–субъединицы Н-холинорецептора (его субъединицы: 2α, β, δ, γ, мм = 250 к. Да) постсинаптической мембраны (концевой пластинки), открывая в нем ионный канал Na+- и К+-проводимости. Входящий Na+-ток формирует ВПСП (потенциал концевой пластинки) на постсинаптической мембране.

l l l Характерна высокая амплитуда (30 – 40 м. В) одиночного ВПСП, способного генерировать ПД в миоците. Взаимодействие ацетилхолина и рецептора кратковременно (десятые доли мс), так как ацетилхолинэстераза синапса гидролизирует медиатор. В покое наблюдается спонтанное выделение 1 – 2 квантов медиатора в секунду и формирование миниатюрных ВПСП.

Двигательные единицы (ДЕ). ДЕ – совокупностьмышечных волокон, иннервируемых разветвлениями одного мотонейрона. l Виды двигательных единиц: l медленные, малоутомляемые l быстрые, легко утомляемые l быстрые, устойчивые к утомлению. В мышце имеются, как правило, все виды ДЕ, но в разных соотношениях. l

Функциональные особенности медленных ДЕ (красные волокна). l l l Иннервируются небольшими и высоко возбудимыми ‑мотонейронами с низкой скоростью проведения возбуждения по аксону и частотой импульсации 6 – 10 Гц. Количество мышечных волокон в ДЕ сравнительно небольшое, они имеют меньшее количество миофибрилл и развивают меньшую силу сокращения. Волокна имеют низкую активность миозиновой АТФазы и низкую скорость сокращения. Имеют хорошее кровоснабжение, много митохондрий, миоглобина, высокий аэробный обмен, поэтому обладают низкой утомляемостью. Способны выполнять длительную маломощную работу. Дают гладкий тетанус при небольшой частоте разряда мотонейрона ( 16 Гц). В регуляции движения обеспечивают мышечный тонус и позу, а также способность к длительной циклической работе – бег, плавание и др. (например у марафонцев их количество в мышцах достигает 85%).

Функциональные особенности быстрых ДЕ (белые волокна). l l l l Иннервируются крупными, менее возбудимыми ‑мотонейронами с высокой скоростью проведения ПД по аксону и частой импульсацией 50 Гц. Количество мышечных волокон в ДЕ сравнительно большое. Миоциты содержат большое число миофибрилл и развивают большую силу сокращения. Имеют высокую активность миозиновой АТФазы и развивают высокую скорость сокращения. Имеют слаборазвитую капиллярную сеть, мало митохондрий, миоглобина, но содержат много гликолитических ферментов, большой запас креатинфосфата и гликогена, анаэробный тип энергообеспечения. Способны развивать большую мощность, но быстро утомляются. Дают гладкий тетанус при большей частоте разряда мотонейрона (~ 30 Гц). В регуляции движения обеспечивают преимущественно фазический компонент – перемещение организма и его частей в пространстве с большой скоростью и мощностью (например, у

l l l Функциональные особенности быстрых, устойчивых к утомлению ДЕ. По структурно-функциональным свойствам занимают среднее положение между медленными и быстрыми ДЕ. Вероятно, используются в быстрых ритмических движениях (ходьба, бег).

Типы сокращений. l l l Изометрическое (изменяется тонус) изотоническое (изменяется длина) и ауксотоническое (изменяется длина и тонус) сокращение.

l l l Одиночное сокращение, его фазы: латентная, сокращения и расслабления. Суммация сокращений, зубчатый и гладкий тетанус. Зависимость амплитуды от частоты раздражения. Оптимум и пессимум раздражения. Механизм возникновения тетануса в естественных условиях связан с высокой частотой генерации ПД αмотонейронами двигательных центров: десятки Гц в состоянии покоя, ~ 100 Гц во время двигательной активности.

Сила мышцы. l l Абсолютная и максимальная произвольная силы мышцы. Факторы, определяющие силу сокращения мышцы. Соотношение медленных и быстрых ДЕ (композиция мышцы). Число активных ДЕ, включение ДЕ в соответствии с возбудимостью их мотонейронов ( «правило размера» ).

l l l Режим работы активных ДЕ (одиночное сокращение, зубчатый тетанус и гладкий тетанус). Величина физиологического сечения мышцы. Длина мышцы и сила сокращения (кривая зависимости «длина-сила» ). Сила сокращения мышцы (точнее, саркомера) пропорциональна зоне перекрытия актиновых и миозиновых нитей, т. е. количеству образующихся актомиозиновых мостиков. Наибольшая сила развивается при длине мышцы в состоянии покоя. При укорочении или удлинении мышцы на 50 % зона перекрытия нитей и сила сокращения резко снижаются.

Работа мышц. l l l Виды работы. Динамическая (в изотоническом режиме). Статическая (в изометрическом режиме). Уступающая (в условиях удлинения мышцы). Закон средних нагрузок: мощность мышцы (сила х скорость сокращения) максимальна при умеренной нагрузке. Функционально-структурные изменения мышцы в зависимости от нагрузки: гипертрофия и атрофия.

l l l l Утомление мышцы (периферические механизмы утомления). Накопление продуктов обмена (кислоты, ионы калия). Энергетический дефицит. Снижение эффективности нервно-мышечной передачи. Методы исследования мышц. Эргометрические методы (динамометрия и эргография). Электромиографические методы.