Механизмы сокращения поперечно-полосатых мышц
Механизмы сокращения поперечно-полосатых мышц
Общие сведения и иерархическая структура
Поперечно-полосатая мышечная ткань включает в себя скелетную мускулатуру, составляющую около сорока процентов массы тела человека, и миокард. Под световым микроскопом данная ткань выглядит как упорядоченная структура с чередующимися светлыми и темными полосами. Строение скелетной мышцы отличается строгой многоуровневой иерархичностью. Вся мышца в целом состоит из пучков мышечных волокон. Отдельное мышечное волокно представляет собой гигантскую многоядерную клетку. В процессе эмбрионального развития такие волокна формируются путем слияния одноядерных клеток предшественников, называемых миобластами. В отличие от многих других тканей организма, зрелые мышечные волокна утрачивают способность к клеточному делению, что обуславливает их крайне низкий регенераторный потенциал. Основу внутреннего содержимого мышечного волокна составляют миофибриллы цилиндрические белковые элементы диаметром от одного до двух микрометров, расположенные строго параллельно продольной оси клетки. Миофибриллы по всей своей длине разделены специализированными Z-пластинками на повторяющиеся структурно-функциональные сегменты, которые носят название саркомеров. В кардиомиоцитах, представляющих собой основу сердечной мышцы, также присутствуют саркомеры, однако параллельная организация миофибрилл в них является менее строгой по сравнению со скелетной мускулатурой.
Ультраструктура саркомера
Саркомер выступает базовой сократительной единицей поперечно-полосатой мышцы. Центральную часть саркомера занимают толстые филаменты, длина которых составляет приблизительно одну целую и шесть десятых микрометра, а диаметр достигает тринадцати или четырнадцати нанометров. На обоих концах саркомера толстые филаменты чередуются с тонкими филаментами, количество которых достигает порядка двух тысяч на один саркомер. На поперечном срезе в области перекрытия каждый толстый филамент окружен гексагональной решеткой из шести тонких филаментов. Оптические свойства этих белковых структур обуславливают характерную поперечную исчерченность всего волокна. Пучки толстых филаментов образуют А-диски, называемые анизотропными дисками. Они обладают свойством двойного лучепреломления и в проходящем свете выглядят темными. Участки саркомера, не содержащие толстых филаментов и состоящие исключительно из тонких нитей, называются И-дисками или изотропными дисками, которые выглядят светлыми. В центре А-диска располагается H-зона, представляющая собой более светлый участок, лишенный тонких филаментов. В самой середине H-зоны визуализируется темная М-линия, образованная опорными белками, которые удерживают толстые филаменты в правильном пространственном положении. Аналогичную опорную функцию для тонких филаментов выполняют Z-пластинки, ограничивающие каждый саркомер с двух сторон.
Белковый состав сократительного аппарата
Сократительный аппарат саркомера включает в себя сложный комплекс из множества специализированных белков, главными из которых являются миозин, актин и титин. Толстые филаменты состоят преимущественно из молекул миозина. Молекула миозина включает две тяжелые пептидные цепи и две пары легких цепей. Стержневые участки молекул объединяются, образуя тело филамента, от которого в боковых направлениях отходят глобулярные головки, называемые субфрагментами S1. В этих головках располагаются участки связывания с актином, молекулами аденозинтрифосфата и тяжелыми пептидными цепями. Миозиновая головка присоединена к стержню через гибкое шарнирное соединение, способное изменять угол наклона примерно на шестьдесят градусов. Тонкие филаменты образованы полимерами актина. В физиологических условиях глобулярный актин полимеризуется в фибриллярный, который принимает форму двойной спирали. Важнейшим структурным элементом саркомера является титин, считающийся самым крупным из известных науке белков с огромной молекулярной массой. Молекулы титина прикреплены к Z-пластинкам и прочно связаны с тонкими филаментами, выполняя функцию молекулярной пружины. Растяжение титинового волокна создает пассивное натяжение мышцы, обеспечивает ее эластичность и поддерживает стабильное центрированное положение толстых филаментов.
Молекулярные механизмы мышечного сокращения
Физиологический процесс сокращения описывается моделью скользящих нитей. В процессе мышечной активности абсолютная длина самих толстых и тонких филаментов остается неизменной. Укорочение саркомера происходит за счет того, что тонкие филаменты втягиваются между толстыми по направлению к центральной М-линии. При этом происходит уменьшение ширины светлых И-дисков и H-зон, в то время как ширина темных А-дисков полностью сохраняется. Движение нитей обеспечивается циклической работой поперечных мостиков структур, образуемых миозиновыми головками при их связывании с актином. Рабочий цикл миозиновой головки энергозависим и опирается на гидролиз аденозинтрифосфата. В состоянии покоя молекула аденозинтрифосфата в комплексе с ионом магния прикреплена к отсоединенной миозиновой головке. При ее ферментативном расщеплении головка меняет свою пространственную конформацию, смещаясь вперед. Возникает первичное слабое связывание миозина с актином, которое затем переходит в сильную физическую связь. После отщепления неорганического фосфата генерируется механическое усилие: шарнирное соединение поворачивается, осуществляя рабочий ход длиной от пяти до десяти нанометров, продвигая актиновую нить. Затем отсоединяется молекула аденозиндифосфата. Для отсоединения головки от актина и начала нового цикла требуется присоединение новой молекулы аденозинтрифосфата. При истощении энергетических запасов в тканях миозиновые головки остаются прочно связанными с актином, что приводит к состоянию, известному как трупное окоченение.
Роль ионов кальция и регуляция сокращения
Сократительная активность поперечно-полосатых мышц строго контролируется концентрацией ионов кальция во внутриклеточной среде. При низких значениях концентрации кальция взаимодействие миозина с актином блокируется регуляторными белками тропонином и тропомиозином. Тропонин представляет собой белковый комплекс из трех субъединиц, расположенных на актиновом филаменте через регулярные промежутки длиной около сорока нанометров. В условиях покоя этот комплекс совместно с нитями тропомиозина пространственно закрывает активные центры на молекулах актина. При поступлении электрического сигнала к сокращению концентрация ионов кальция в саркоплазме многократно возрастает. Кальций связывается со специализированной субъединицей C тропонинового комплекса. Это вызывает каскадные изменения конформации, в результате чего субъединица T воздействует на тропомиозин, смещая его двойные тяжи глубоко в желобки актиновой спирали. Блокирующие структуры устраняются, и миозиновые головки получают возможность образовывать поперечные мостики с актином. Данный процесс является полностью обратимым. Как только ионные насосы снижают концентрацию кальция в цитоплазме до базального уровня, тропомиозин возвращается в исходное положение, прерывая контакт между сократительными нитями, что приводит к механическому расслаблению мышечного волокна.
Электромеханическое сопряжение и проведение сигнала
Связь между электрическим возбуждением плазматической мембраны и механическим сокращением белкового аппарата обеспечивается специализированными мембранными системами клетки. В мышечном волокне присутствуют поперечные трубочки, формирующие Т-систему, которые представляют собой глубокие впячивания наружной мембраны. Параллельно им располагается система продольных трубочек саркоплазматический ретикулум, служащий внутриклеточным депо ионов кальция. Т-трубочка и прилегающие к ней элементы ретикулума образуют функциональную структуру, называемую триадой. Потенциал действия, инициированный нервным импульсом, распространяется по мембране клетки и уходит вглубь через Т-трубочки со скоростью от трех до пяти метров в секунду. Электрическая деполяризация вызывает изменение конформации специфических дигидропиридиновых рецепторов, выполняющих роль вольт-сенсоров. Эти рецепторы передают сигнал на рианодиновые рецепторы мембраны саркоплазматического ретикулума, которые по своей природе являются кальциевыми каналами. Их открытие приводит к лавинообразному выходу кальция в саркоплазму. В сердечной мышце этот механизм имеет характерную особенность: во время потенциала действия кальций первично поступает из внеклеточной среды через каналы L-типа, и именно этот ток активирует рианодиновые рецепторы ретикулума. Для обеспечения последующего расслабления работает кальциевая аденозинтрифосфатаза, фермент, который с затратой энергии активно перекачивает ионы кальция обратно в полости саркоплазматического ретикулума.
Механика мышечного сокращения и типы активности
В зависимости от внешних механических условий выделяют изометрическое и изотоническое сокращения. При изометрическом сокращении длина мышцы сохраняется неизменной, однако мышечное волокно генерирует силу за счет непрерывной циклической работы мостиков на одних и тех же участках актиновых нитей, накапливая механическую энергию. Развиваемое усилие напрямую зависит от частоты поступающих нервных стимулов. Одиночный электрический импульс способен вызвать лишь одиночное кратковременное мышечное сокращение. Однако, если импульсы следуют с высокой частотой, превышающей скорость обратного захвата кальция ретикулумом, происходит суперпозиция отдельных механических ответов. При достижении достаточной частоты стимуляции возникает гладкое, непрерывное и сильное мышечное сокращение, называемое тетанусом. Для поддержания тетануса интервалы между стимулами должны быть существенно короче длительности одиночного сокращения, но не меньше рефрактерного периода мембраны. Произвольные мышечные движения высших животных и человека обеспечиваются именно тетаническими сокращениями, сила которых может превосходить одиночный ответ в несколько раз. Интегральная регуляция силы целой мышцы также опирается на принцип рекрутирования двигательных единиц. Двигательная единица включает мотонейрон и группу иннервируемых им мышечных волокон. Каждая отдельная единица срабатывает по закону все или ничего, но асинхронное вовлечение в процесс различного количества таких единиц позволяет организму осуществлять исключительно тонкий контроль над суммарной силой напряжения.
Клинические аспекты и патофизиология
Любые нарушения в работе белкового сократительного аппарата и мембранных систем ионного транспорта могут приводить к развитию тяжелых патологических состояний. Сбои в функционировании натрий-калиевых или натрий-кальциевых насосов, а также генетические мутации, затрагивающие ионные каналы, лежат в основе миотонии. Данная патология характеризуется аномально замедленным расслаблением мышц после их произвольного напряжения, что внешне проявляется в неспособности пациента быстро разжать кисть или изменить позу. Нарушения синтеза саркомерных белков вызывают ряд наследственных заболеваний, среди которых выделяют различные формы миодистрофий и гипертрофическую кардиомиопатию. При нарушении иннервации мышцы, когда прекращается поступление потенциалов действия от мотонейронов, возбудимость клеточной мембраны парадоксально возрастает. На ранних стадиях денервации мышечное волокно начинает самостоятельно генерировать спонтанные разряды, что приводит к фибрилляциям. В условиях длительного отсутствия нервного контроля и отсутствия механической работы сократительный аппарат демонтируется, а функциональная ткань подвергается атрофии и замещается соединительнотканными элементами. Напротив, систематическая физическая нагрузка запускает процессы рабочей гипертрофии, при которой увеличивается диаметр мышечных волокон и возрастает масса сократительных белков без изменения общего количества клеток. Оценка электрической и функциональной активности мышц в клинической медицине осуществляется посредством электромиографии метода, который позволяет регистрировать потенциалы двигательных единиц с помощью накожных или погружных игольчатых электродов.