Сокращение гладкой мускулатуры
Сокращение гладкой мускулатуры
Общие сведения
Гладкая мускулатура представляет собой специализированную ткань, обеспечивающую непроизвольные сокращения внутренних органов. В отличие от скелетной мускулатуры, которая формирует обособленные и самостоятельные мышцы, гладкомышечная ткань структурно встроена в стенки полых органов. Она выстилает желудочно-кишечный тракт, матку, мочевой пузырь, мочеточники, кровеносные сосуды, а также образует различные сфинктеры. Гистологически эта ткань состоит из веретеновидных клеток длиной от пятидесяти до четырехсот микрометров. Основной функцией гладкой мускулатуры является поддержание постоянного мышечного тонуса и обеспечение двигательной активности, необходимой для осуществления перистальтики, продвижения пищевого комка, поддержания артериального давления и выталкивания плода в процессе родовой деятельности. Особенностью функционирования данной ткани является способность развивать значительную силу и поддерживать ее на протяжении длительного времени с минимальными энергетическими затратами, которые в сотни раз ниже, чем у скелетных мышц.
Классификация гладкомышечной ткани
По структурно-функциональным характеристикам гладкие мышцы подразделяются на два основных типа: унитарные и мультиунитарные. Унитарная гладкомышечная ткань представляет собой единое функциональное образование, работающее как синцитий. В ней клетки связаны между собой специализированными щелевыми контактами, которые называются нексусами. Такая организация характерна для мышц кишечника, матки и большинства кровеносных сосудов. Унитарные мышцы обладают спонтанной фазно-ритмической активностью, которая генерируется специализированными пейсмекерными клетками. Эти клетки способны самостоятельно задавать ритм сокращений без постоянного контроля со стороны центральной или спинальной нервной системы, хотя вегетативные нервы осуществляют модулирующее воздействие, усиливая или ослабляя эту активность.
Мультиунитарная гладкомышечная ткань состоит из изолированных клеток, каждая из которых сокращается независимо от соседних. К этому типу относятся мышцы радужной оболочки глаза и пиломоторные мышцы, поднимающие волосы. В таких структурах спонтанная активность очень слабая или полностью отсутствует, а мышечный тонус носит преимущественно нейрогенный характер. Каждая клетка или небольшая группа клеток, соединенных нексусами, обильно иннервируется вегетативными нервными волокнами, которые высвобождают медиаторы из варикозных расширений. На практике существует множество переходных и смешанных форм, где миогенный базовый тонус комбинируется с выраженным нейрогенным контролем. Кроме того, функционально гладкие мышцы делятся на тонические, предназначенные для длительного поддержания напряжения без развития утомления в крупных артериях, и фазические, обеспечивающие ритмическую активность в органах пищеварительной и мочеполовой систем.
Ультраструктура и сократительный аппарат
Организация сократительного аппарата гладкомышечной клетки существенно отличается от строения поперечно-полосатой мускулатуры. В цитоплазме присутствуют актиновые и миозиновые филаменты, а также сеть промежуточных филаментов диаметром около десяти нанометров. Актиновые нити прикрепляются к плазматической мембране или к специфическим внутриклеточным структурам, называемым плотными тельцами, которые являются функциональными аналогами Z-линий скелетных мышц. Актиновые и миозиновые филаменты совместно формируют минисаркомеры. Элементы цитоскелета, включая эластичную сеть промежуточных филаментов, ориентированы диагонально по отношению к продольной оси клетки, что обусловливает специфический характер ее укорочения при сокращении.
Саркоплазматический ретикулум гладкой мускулатуры выполняет функцию внутриклеточного депо ионов кальция. Он представляет собой сеть трубочек, расположенных глубоко в цитоплазме или непосредственно под сарколеммой. В отличие от скелетных мышц, ретикулум здесь развит слабее и не образует классических триад, так как его локализация не коррелирует со строгим расположением сократительных филаментов. Вместо системы Т-трубочек плазматическая мембрана гладкомышечной клетки формирует множественные колбообразные углубления, называемые кавеолами. Кавеолы сообщаются с внеклеточным пространством и тесно контактируют с саркоплазматическим ретикулумом. В области кавеол сконцентрированы белки-переносчики кальция и рецепторы, играющие ключевую роль в процессах электромеханического сопряжения и высвобождения кальция из внутриклеточных хранилищ.
Механизм сокращения и биохимические особенности
Сокращение гладкомышечной клетки осуществляется за счет механизма скольжения актиновых и миозиновых филаментов относительно друг друга при циклической работе поперечных мостиков. Этот процесс сопровождается гидролизом аденозинтрифосфата под действием фермента миозиновой АТФазы. Скорость продвижения филаментов протекает в сотни и тысячи раз медленнее по сравнению с быстрыми волокнами скелетных мышц. Эта особенность обусловлена низкой активностью АТФазы и иным соотношением сократительных белков. В гладких мышцах количество миозина примерно в пять раз меньше, а актина значительно больше, чем в поперечно-полосатой ткани.
Ключевым биохимическим отличием гладкой мускулатуры является отсутствие в актиновых филаментах регуляторного белка тропонина. Его функцию выполняет кальций-связывающий белок кальмодулин. При повышении концентрации кальция в цитоплазме ионы связываются с кальмодулином, изменяя его пространственную конфигурацию. Образовавшийся комплекс взаимодействует со специфическим ферментом киназой легких цепей миозина и активирует его. Этот фермент осуществляет перенос фосфатной группы от молекулы аденозинтрифосфата на регуляторные легкие цепи миозина. Исключительно фосфорилированный миозин приобретает способность взаимодействовать с актином для формирования поперечных мостиков и совершения рабочего цикла.
Регуляция мышечного тонуса и кальциевая чувствительность
Степень сокращения гладкой мышцы определяется динамическим равновесием между процессами фосфорилирования и дефосфорилирования миозина. За расслабление отвечает фермент фосфатаза легких цепей миозина, которая удаляет фосфатную группу, тем самым прекращая цикл образования поперечных мостиков. При преобладании активности киназы мышечный тонус возрастает, а при повышении активности фосфатазы мышца расслабляется. Это динамическое равновесие позволяет гладкой мускулатуре длительное время находиться в переходном состоянии механического напряжения, что критически важно для поддержания тонуса кровеносных сосудов и кишечника без существенных энергетических затрат.
Важным аспектом регуляции является изменение чувствительности сократительного аппарата к ионам кальция. Сенситизация к кальцию происходит при подавлении активности фосфатазы легких цепей миозина. В таких условиях сокращение значительной силы может наблюдаться даже при низкой внутриклеточной концентрации кальция. Механизм снижения активности фосфатазы опосредуется сложными внутриклеточными сигнальными каскадами. Нейромедиаторы и гормоны связываются с рецепторами, ассоциированными с гетеротримерными G-белками, что активирует фосфолипазу С и мономерную ГТФазу Rho. Фосфолипаза С расщепляет мембранные фосфолипиды до инозитолтрифосфата, высвобождающего кальций, и диацилглицерола, который активирует протеинкиназу С. Одновременно активная форма Rho-ГТФазы стимулирует Rho-киназу. Эти киназы фосфорилируют специфические регуляторные белки, которые ингибируют фосфатазу легких цепей миозина, способствуя поддержанию сокращения.
Процесс активного расслабления сопровождается десенситизацией к кальцию и опосредуется циклическими нуклеотидами. Гормоны, нейромедиаторы или оксид азота активируют внутриклеточный синтез циклического аденозинмонофосфата или циклического гуанозинмонофосфата. Эти молекулы стимулируют соответствующие протеинкиназы, которые повышают активность фосфатазы легких цепей миозина. В результате происходит дефосфорилирование миозина, и мышца расслабляется даже на фоне высокой концентрации кальция. Одновременно механизмы расслабления включают снижение уровня самого кальция за счет работы кальциевых насосов плазматической мембраны и саркоплазматического ретикулума, а также натрий-кальциевого обменника. В состоянии покоя концентрация кальция в миоплазме поддерживается на экстремально низком уровне, повышаясь на порядок только при возбуждении клетки.
Электромеханическое и фармакомеханическое сопряжение
Активация гладкой мышцы происходит посредством двух основных механизмов сопряжения, которые могут функционировать параллельно. Фармакомеханическое сопряжение инициируется воздействием нейромедиаторов, гормонов или локальных метаболитов на мембранные рецепторы и не требует первоначального изменения мембранного потенциала. Взаимодействие с рецепторами приводит к открытию лиганд-управляемых кальциевых каналов и активному поступлению ионов из внеклеточного пространства. Одновременно генерируемый вторичный посредник инозитолтрифосфат мобилизует запасы кальция из саркоплазматического ретикулума.
Электромеханическое сопряжение связано с изменениями мембранного потенциала плазматической мембраны. Деполяризация мембраны вызывает открытие потенциал-зависимых кальциевых каналов, через которые ионы устремляются внутрь клетки. Регуляция мембранного потенциала тесно связана с состоянием калиевых каналов. Активация калиевых токов приводит к выходу ионов калия, гиперполяризации клеточной мембраны и закрытию потенциал-зависимых кальциевых каналов, что обусловливает расслабление мускулатуры и вазодилатацию. Ингибирование калиевых каналов вызывает деполяризацию и последующее сужение сосудов. Даже сдвиг мембранного потенциала всего на несколько милливольт способен критически изменить объем поступающего кальция, тем самым влияя на диаметр сосудистого русла и параметры системного кровообращения.
Пейсмекерная активность и влияние растяжения
Функционирование гладкой мускулатуры унитарного типа опирается на электрофизиологическую активность специализированных пейсмекерных клеток. Их мембрана подвержена спонтанной медленной деполяризации. По достижении порогового уровня генерируются потенциалы действия, представляющие собой кальциевые спайки. Возникшее возбуждение электротонически распространяется на соседние мышечные клетки через щелевые контакты. Местные токи деполяризуют смежные мембраны, вовлекая в синхронное сокращение значительные мышечные массивы. Эта активность формирует миогенный тонус, проявляющийся ритмическими сокращениями, необходимыми для перистальтики желудка или колебаний сосудистого давления. Деятельность пейсмекеров модулируется медиаторами вегетативной нервной системы. Ацетилхолин вызывает деполяризацию и увеличивает частоту импульсации, тогда как адреналин и норадреналин способствуют гиперполяризации и снижению тонуса кишечной мускулатуры, хотя в кровеносных сосудах их эффект зависит от типа активируемых адренорецепторов.
Отличительной чертой гладкой мускулатуры является ее способность реагировать на механическое растяжение. При наполнении полого органа и растяжении его стенок происходит деполяризация пейсмекерных клеток и возрастает частота генерируемых потенциалов действия. Это приводит к усилению импульсного разряда и рефлекторному сокращению мышечных волокон, что представляет собой важнейший механизм саморегуляции, особенно выраженный в артериолах. С другой стороны, гладкие мышцы обладают выраженной пластичностью. При сохранении постоянной длины в растянутом состоянии первоначальное напряжение со временем снижается. Благодаря вязкоэластичным свойствам гладкая мускулатура мочевого пузыря и желудка способна адаптироваться к увеличивающемуся объему содержимого, оставаясь полностью расслабленной и не повышая внутриполостного давления.