Организация скелетных мышц позвоночных Сократительные элементы саркомеры состоят

Организация скелетных мышц позвоночных Сократительные элементы, саркомеры, состоят из двух типов параллельных нитей, толстых филаментов миозина и тонких филаментов F-актина. Крайние, более темные области Α-дисков содержат как тонкие, так и толстые нити, тогда как центральная часть, Н-зона, содержит только нити миозина. Z-линии (или Z-пластинки) соответствуют тем участкам, где тонкие нити крепятся к так называемым Z-дискам. Саркомером называется продольная единица, ограниченная двумя Z-линиями.

В количественном отношении наиболее важным белком миофибрилл является миозин (~65% мышечного белка). Молекула миозина построена из шести субъединиц, двух идентичных тяжелых цепей (2 х 223 к. Да) и четырех легких цепей (~20 к. Да), связанных нековалентно. Каждая тяжелая цепь миозина имеет форму длинного стержня длиной 150 нм с глобулярной головкой на N-конце и напоминает клюшку для гольфа (на схеме внизу справа). α-Спиральные участки двух тяжелых цепей свернуты в двойную суперспираль, а четыре небольших субъединицы связаны с глобулярными головками. В мышечном волокне миозин образует толстые миозиновые филаменты, которые представляют собой пучки из сотен молекул миозина, расположенных параллельно. Головка молекулы миозина обладает Са 2+-зависимой АТФ-азной активностью (КФ 3. 6. 1. 32), которая регулируется малыми субъединицами.

Главным белком тонких нитей является актин (42 к. Да, ~20 -25% мышечного белка). Фибриллярный F-актин является важным структурным элементом цитоскелета; он находится в равновесии с глобулярным Gактином. Кроме этих двух белков система включает тропомиозин и комплекс тропонина. Нитевидный тропомиозин (64 к. Да) связан с F-актином, охватывая примерно семь актиновых субъединиц. Тропонин (78 к. Да) комплекс, состоящий из трех различных субъединиц (Т, С, I), способен связываться как с актином, так и с тропомиозином. Остальные белки, присутствующие в гораздо меньшем количестве, включают α- и β-актинин, десмин, коннектин (титин) и виментин.

Механизм сокращения мышечных волокон Сокращение мышечных волокон обусловлено продольным скольжением толстых миозиновых и тонких актиновых филаментов относительно друга. Сокращение мышечных волокон является результатом следующего цикла реакций:

В отсутствие АТФ (АТР), т. е. в исходном состоянии, головки молекул миозина прочно связаны с актиновыми нитями. При связывании АТФ головки отделяются от актиновых нитей. АТФ-аза головок миозина гидролизует АТФ на АДФ и неорганический фосфат, но продолжает удерживать оба продукта реакции близко друг от друга. Гидролиз АТФ вызывает аллостерические изменения в миозиновой головке. Теперь головка миозина образует новый мостик с соседней молекулой актина. Актин ускоряет выброс продуктов АТФ-азной реакции из активного центра миозина. Это приводит к преобразованию аллостерического напряжения и изменению конформации головки миозина, которое действует подобно «удару весла» (модель весельной лодки). Во время этого «гребка» миозиновые головки отклоняются на определенный угол от оси и перемещают миозиновый филамент вдоль актинового филамента по направлению к Z-диску. Цикл повторяется до тех пор, пока имеется АТФ.

Электромеханическое сопряжение Сокращением мышечного волокна управляют двигательные нейроны, которые выделяют нейромедиатор ацетилхолин в нервно-мышечные соединении (синапсы). Ацетилхолин диффундирует через синаптическую щель и взаимодействуют с ацетилхолиновыми (холинэргическими) рецепторами плазматической мембраны мышечных клеток. Это вызывает открывание трансмембранных ионных каналов и деполяризацию клеточной мембраны (образование потенциала действия). Потенциал действия быстро распространяется по всем направлениям от нервномышечного соединения, возбуждая все мышечные клетки. В течение нескольких миллисекунд реализуется рассмотренный выше цикл сокращения мышечного волокна.

Саркоплазматический ретикулум [СР (SR)] – разветвленная подобная эндоплазматическому ретикулуму органелла, окружающая индивидуальные миофибриллы подобно сетке (в верхней части схемы в качестве примера приведен СР клетки сердечной мышцы). В покоящихся клетках концентрация Са 2+ очень низка (менее 10 -5 М). Однако в саркоплазматическом ретикулуме уровень ионов Са 2+ существенно выше (около 10 -3 М). Высокая концентрация Са 2+ в СР поддерживается Са 2+-АТФ-азами. Кроме того, в СР имеется специальный белок кальсеквестрин (55 к. Да), который благодаря высокому содержанию кислых аминокислот способен прочно связывать ионы Са 2+.

Переносу потенциала действия на СР индивидуальной миофибриллы способствуют поперечные трубочки Т -системы, представляющие трубчатые впячивания клеточной мембраны и находящиеся в тесном контакте с индивидуальными миофибриллами. Деполяризация плазматической мембраны передается через Т-трубочки на потенциал-управляемый мембранный белок (так называемый "SR-foot") прилегающей мембраны СР, который открывает Са 2+-каналы. Результатом является выброс ионов Са 2+ из СР в пространство между филаментами актина и миозина до уровня ≥ 10 -5 M. В конечном итоге выброс ионов Са 2+ является пусковым механизмом процесса сокращения миофибрилл.

Регуляция ионами кальция В расслабленной скелетной мышце комплекс тропонина (субъединицы = Т, С, I) с тропомиозином препятствует взаимодействию миозиновых головок с актином. Быстрое увеличение в цитоплазме концентрации ионов кальция в результате открывания каналов СР приводит к связыванию Са 2+ с С-субъединицей тропонина. Последняя по свойствам близка кальмодулину. Связывание ионов Са 2+ вызывает конформационную перестройку в тропонине, тропонинтропомиозиновый комплекс разрушается и освобождает на молекуле актина участок связывания с миозином (на схеме выделен красным цветом). Это инициирует цикл мышечного сокращения. В отсутствие последующего стимулирования АТФ-зависимые кальциевые насосы мембраны СР быстро снижают концентрацию ионов Ca 2+ до исходного уровня. Как следствие, комплекс Са 2+ с тропонином С диссоциирует, тропонин восстанавливает исходную конформацию, место связывания миозина на актине блокируется и мышца расслабляется.

Таким образом, при сокращении мышечного волокна скелетных мышц позвоночных происходит следующая последовательность событий. При поступлении сигнала от двигательного нейрона мембрана мышечной клетки деполяризуется, сигнал передается на Сa 2+-каналы СР. Са 2+-каналы открываются, внутриклеточный уровень ионов Са 2+ возрастает. Ионы Сa 2+ связывается с тропонином С, вызывая конформационную перестройку в тропонине, что влечет за собой разрушение комплекса тропонинтропомиозин и дает возможность головкам миозина связываться с актином. Происходит инициация актин-миозинового цикла. По завершении сокращения уровень ионов Са 2+ снижается за счет активного обратного транспорта Са 2+ в СР, тропонин С отдает Са 2+, комплекс тропонин-тропомиозин занимает исходное положение на молекуле актина, блокируя актинмиозиновый цикл. Результатом является расслабление мышцы.

Энергетический обмен в мышечной ткани Важнейшей функцией мышечного волокна является сократительная. Процесс сокращения и расслабления связан с потреблением АТФ (АТР), гидролиз которого катализирует миозин-АТФ-аза [1]. Однако небольшой запас АТФ, имеющийся в мышцах, расходуется менее чем за 1 с после стимуляции.

Потребности работающей мышцы в АТФ удовлетворяются за счет следующих ферментативных реакций: 1. Резерв в виде креатинфосфата. Быстрая регенерация АТФ может быть достигнута за счет переноса фосфатной группы креатинфосфата на АДФ (ADP) в реакции, катализируемой креатинкиназой [2]. Однако и этот мышечный резерв «высокоэргического фосфата» расходуется в течение нескольких секунд. В спокойном состоянии креатинфосфат вновь синтезируется из креатина. При этом фосфатная группа присоединяется по гуанидиновой группе креатина (N-гуанидино-Nметилглицина). Креатин, который синтезируется в печени, поджелудочной железе и почках, в основном накапливается в мышцах. Здесь креатин медленно циклизуется за счет неферментативной реакции [3] с образованием креатинина, который поступает в почки и удаляется из организма.

2 Анаэробный гликолиз. В мышечной ткани наиболее важным долгосрочным энергетическим резервом является гликоген. В покоящейся ткани содержание гликогена составляет до 2% от мышечной массы. При деградации под действием фосфорилазы гликоген легко расщепляется с образованием глюкозо-6 -фосфата, который при последующем гликолизе превращается в пируват. При большой потребности в АТФ и недостаточном поступлении кислорода пируват за счет анаэробного гликолиза восстанавливается в молочную кислоту (лактат), которая диффундирует в кровь. 3. Окислительное фосфорилирование. В аэробных условиях образующийся пируват поступает в митохондрии, где подвергается окислению. Окислительное фосфорилирование - наиболее эффективный и постоянно действующий путь синтеза АТФ. Однако этот путь реализуется при условии хорошего снабжения мышц кислородом. Наряду с глюкозой, образующейся при расщеплении мышечного гликогена, для синтеза АТФ используются и другие "энергоносители", присутствующие в крови: глюкоза крови, жирные кислоты и кетоновые тела.

4. Образование инозинмонофосфата [ИМФ (IMP)]. Другим источником быстрого восстановления уровня АТФ является конверсия АДФ в АТФ и АМФ (AMP), катализируемая аденилаткиназой (миокиназой) [5]. Образовавшийся АМФ за счет дезаминирования частично превращается в ИМФ (инозинмонофосфат), что сдвигает реакцию в нужном направлении. Из всех способов синтеза АТФ наиболее продуктивным является окислительное фосфорилирование. За счет этого процесса обеспечиваются потребности в АТФ постоянно работающей сердечной мышцы (миокарда). Вот почему для успешной работы сердечной мышцы обязательным условием является достаточное снабжение кислородом (инфаркт миокарда — это следствие перебоев в поступлении кислорода). В высокоактивных (красных) скелетных мышцах источником энергии для рефосфорилирования АДФ служит окислительное фосфорилирование в митохондриях. В обеспечении этих мышц кислородом принимает участие миоглобин (Mb) - близкий гемоглобину белок, обладающий свойством запасать кислород. В малоактивных скелетных мышцах, лишенных красного миоглобина и поэтому белых, главным источником энергии для восстановления уровня АТФ является анаэробный гликолиз. Такие мышцы сохраняют способность к быстрым сокращениям, однако они могут работать лишь короткое время, поскольку при гликолизе образование АТФ идет с низким выходом. Спустя некоторое время мышцы истощаются в результате изменения р. Н в мышечных клетках.

В клетках, не содержащих митохондрий (например, в эритроцитах), или в тканях при недостаточном снабжении кислородом (например, в активно работающих мышцах) АТФ (АТР) синтезируется за счет процесса превращений глюкозы в лактат, т. е. за счет процесса брожения. Лактат переносится кровью в печень, где в процессе глюконеогенеза с затратой АТФ вновь конвертируется в глюкозу (цикл Кори). При интенсивной работе мышцы максимально активируется гликолиз. Продукт гликолиза, пировиноградная кислота (пируват) накапливается в цитоплазме и недостаточно быстро поступает в митохондрии, если они из-за недостатка кислорода не готовы к окислению пирувата. В анаэробных условиях пируват в реакции, катализируемой лактатдегидрогеназой (заключительный этап гликолиза) восстанавливается до лактата. Одновременно НАДН (NADH), кофермент лактатдегидрогеназы, окисляется до НАД+ (NAD+), который вновь используется на окислительном этапе гликолитического пути. Этой реакции способствует относительно высокое отношение НАДН/НАД+ в мышечной ткани. Лактат диффундирует в кровь и поступает в печень, где конвертируется в глюкозу. Таким образом, образование лактата временно заменяет аэробный метаболизм глюкозы и частично переносит этот процесс из мышц в печень.

Обратная связь, подобная циклу Кори, существует в цикле аланина, в котором также участвует пируват. Цикл аланина берет начало с протеолиза белков. Образующиеся аминокислоты в результате трансаминирования в присутствии ферментов превращаются в α-кетокислоты, которые в основном включаются в цикл трикарбоновых кислот (цитратный цикл). Одновременно в реакции, катализируемой аланинтрансаминазой, аминогруппы из разных аминокислот переносятся на имеющийся субстрат, пируват. Образующийся аланин поступает в кровь и переносится в печень. Таким образом, цикл аланина служит каналом передачи азота и предшественников глюкозы в печень, которая является местом синтеза конечных продуктов азотистого обмена, например мочевины. Следует напомнить, что при анаэробном гликолизе образуются кислоты, которые, не принимая участие в последующем обмене, существуют в форме анионов. Поэтому при интенсивном анаэробном гликолизе р. Н мышечной клетки может понизиться настолько, что сокращение станет невозможным. Обычно этого не происходит благодаря быстрому выходу кислых метаболитов (лактата и пирувата) в кровь, которая также может оказаться закисленной (метаболический ацидоз).

Метаболизм белков и аминокислот Скелетные мышцы активно участвуют в метаболизме аминокислот. Это наиболее важный участок деградации разветвленных аминокислот. Ряд других аминокислот также деградируются преимущественно в мышцах. Одновременно идет ресинтез и высвобождение в кровь аланина и глутамина. Эти аминокислоты служат переносчиками азота, образующегося при расщеплении белков, в печень (цикл аланина) и почки. При голодании мышечные белки служат энергетическим резервом организма. Они гидролизуются до аминокислот, которые поступают в печень. Здесь углеродный скелет аминокислот конвертируется в промежуточные продукты цитратного цикла, в том числе в ацетоацетил-Ко. А и ацетил. Ко. А. Эти амфиболические соединения окисляются в цикле трикарбоновых кислот или включаются в процесс глюконеогенеза.

Синтез и расщепление мышечных белков контролируются гормонами. Тестостерон и синтетические анаболики стимулируют биосинтез белка; напротив, кортизол подавляет образование мышечных белков. Белки актин и миозин содержат остатки гистидина, метилированного на стадии посттрансляционной модификации. При расщеплении этих белков образуется 3 -метилгистидин, который дальше не разрушается. Количество метилгистидина в моче служит мерой деградации мышечных белков.

Белки мышц 1. Белки саркоплазмы миоглобин, белки–ферменты 2. Белки миофибрилл Ø Сократительные белки: миозин, актомиозин Ø Регуляторные белки: тропомиозин, тропонин 3. Белки стромы эластин, коллаген

Миоглобин • • • Дыхательный белок мышц Гемопротеин Содержит 153 аминокислотных остатка Основная функция – перенос кислорода в мышцах Состоит из 1 полипептидной цепи, уложенной в пространстве в виде глобулы

Миозин • Составляет 50 – 55% от массы миофибрилл • Фибриллярный белок • Период полураспада – 20 дней • Состоит из 2 тяжелых цепей (мол. масса 200 000 Да) и 4 легких цепей (мол. масса 20 000 – 25 000 Да) • Активные центры головки миозина обладают АТФ-азной активностью: АТФ + Н 2 О → → АДФ + Рн + Е

Актин • Составляет 20% от массы миофибрилл • Небольшой глобулярный белок • Состоит из 1 полипептидной цепи (374 аминокислотных остатка) • Молекула глобулярного актина способна к спонтанной агрегации, образуя фибриллярный актин

Тропомиозин • • фибриллярный белок состоит из 2 α-спиралей на 1 молекулу тропомиозина приходится 7 молекул актина молекула тропомиозина закрывает активные центры связывания актина

Тропонин • Глобулярный белок • В состав входят 3 субъединицы: Тн-Т – тропомиозинсвязывающая субъединица – отвечает за связь с тропомиозином Тн-С – кальцийсвязывающая субъединица – обладает сродством к ионам Са 2+ Тн-I – ингибиторная субъединица – ингибирует АТФ-азную активность, препятствуя взаимодействию актина и миозина

• В мышцах присутствует фетальная форма миозина, обладающая измененной структурой, сниженной АТФ -азной активностью • С возрастом в мышцах увеличивается содержание миоглобина и уменьшается количество гликогена, лактата, нуклеиновых кислот и воды • Мышцы детей обладают повышенной чувствительностью к нейромедиаторам (ацетилхолин) • Во внутриутробном периоде мышца производит 3 – 4 сокращения в секунду, тогда как у детей младшего возраста число мышечных сокращений может быть до 60 – 80 в секунду, что способствует формированию тетануса мышц.

Биосинтез и распад креатина • Креатин и креатининфосфат – важные азотистые вещества мышцы. • Находится креатин в мышцах, ткани мозга, миокарде в свободном состоянии и в форме фосфокреатина. • При переходе от покоя к работе мышцы сначала используют АТФ, образующийся из креатинфосфата – это наиболее быстрый путь генерации АТФ.

Синтез креатина • Первая стадия синтеза креатина протекает в почках под действием глицинамидинотрансферазы. Арг Гли Гуанидинуксусная кислота Орнитин

• Вторая стадия – метилированиепротекает в печени. S-аденозил метионин S-аденозил гомоцистеин Гуанидинацетат метилтрансфераза Гуанидинуксусная кислота Креатин

• В мышцах имеется высокоэнергетическое вещество – креатинфосфат. + АДФ + АТФ КФК Креатинфосфат

• Креатинин образуется в результате неферментативного дефосфорилирования креатинфосфата. Н 20 Фн Креатинфосфат Креатинин

Содержание в плазме крови • В плазме крови в небольших количествах содержатся креатин и креатинин. Содержание креатинина в плазме крови - 44 -100 ммоль/л у мужчин, у женщин - чуть меньше. • С мочой креатин выделяется только у детей, у взрослых – креатинин. • При болезнях почек с нарушением фильтрации выделение креатинина уменьшается, а его количество в крови увеличивается. • В норме суточное выделение креатинина с мочой пропорционально мышечной массе.

Диагностическое значение • уровень креатинина в сыворотке – чувствительный показатель состояния функции почек, • снижение выделение креатинина с мочой наблюдается при гипертиреозе и прогрессирующей мышечной дистрофии в связи со снижением скорости синтеза креатина.

Физиологическая креатинурия наблюдается • у новорожденных, так как преобладает скорость синтеза креатина, • у пожилых вследствие атрофии мышц, • у беременных из-за развития мышечной массы матки, • алиментарная креатинурия обусловлена принятием пищи, богатой креатином.

Повышение выделения креатина наблюдается при • переохлаждении организма. • заболеваниях скелетной мускулатуры (при нарушении трофики и структуры мышц), • при этом креатинурия сопровождается снижением содержания креатинина в моче, что связано с нарушением механизма превращения креатина в креатинин.