Сокращение мышц
Сокращение мышц
Общие сведения
Механизм мышечного сокращения был детально изучен и установлен в середине двадцатого века благодаря применению электронной микроскопии тканей скелетных мышц. В научной литературе этот процесс описывается как модель, или механизм, скользящих нитей. Фундаментальный принцип данной модели заключается в том, что белковые структуры сократительного аппарата не складываются и не сжимаются физически. Толстые и тонкие филаменты сохраняют свою первоначальную длину на протяжении всего процесса. Сокращение происходит исключительно за счет их взаимного продольного перемещения. Миозиновые головки, расположенные на толстых филаментах, захватывают тонкие филаменты и продвигают их по направлению к М-линии, находящейся в центре саркомера. В результате этого тонкие нити скользят внутрь, их концы перекрываются, а ограничивающие саркомер Z-линии сближаются. Подобное взаимное движение приводит к укорочению каждого отдельного саркомера, что в совокупности вызывает укорочение всего мышечного волокна и скелетной мышцы в целом.
Электромеханическое сопряжение и роль ионов кальция
Ключевым фактором, регулирующим процесс мышечного сокращения, является изменение концентрации положительно заряженных ионов кальция в цитозоле клетки. В расслабленном состоянии концентрация кальция в цитозоле поддерживается на крайне низком уровне, составляя порядка одного микромоля на литр. Основные резервы этого элемента депонируются внутри саркоплазматической сети, где ионы кальция связываются со специализированным белком кальсеквестрином, способным удерживать значительные объемы данного вещества. Процесс сокращения инициируется, когда мышечный потенциал действия распространяется по системе поперечных Т-трубочек, вызывая открытие кальциевых каналов в мембране саркоплазматической сети. Ионы кальция пассивно и стремительно выходят в цитозоль, в результате чего их локальная концентрация возрастает в десятки раз. Оказавшись в цитозоле, ионы связываются с регуляторным белком тропонином. Это взаимодействие вызывает изменение его конформации, в результате чего тропонин смещает молекулы тропомиозина, открывая участки связывания миозина на актиновых филаментах. После прекращения электрической стимуляции кальциевые каналы закрываются. Возвращение мышцы в состояние покоя обеспечивается специализированными кальциевыми насосами, которые, используя энергию аденозинтрифосфата, осуществляют активный транспорт ионов кальция обратно в саркоплазматическую сеть.
Цикл мышечного сокращения
Рабочий цикл мышечного сокращения представляет собой строго определенную последовательность из четырех основных этапов, реализация которых возможна при наличии достаточного количества ионов кальция и энергии. На первом этапе происходит гидролиз молекулы аденозинтрифосфата. Миозиновая головка содержит участок связывания этой молекулы и обладает ферментативной активностью, расщепляя молекулу до аденозиндифосфата и неорганической фосфатной группы. В результате гидролиза миозиновая головка переходит в активированное состояние. На втором этапе активированная головка миозина соединяется с открытым участком связывания на актине, образуя поперечный мостик, при этом происходит высвобождение отщепленной фосфатной группы. Третий этап представляет собой непосредственно рабочий такт. На поперечном мостике открывается участок, связанный с аденозиндифосфатом, после чего мостик поворачивается, высвобождая эту молекулу, и продвигает тонкий филамент по направлению к М-линии, генерируя механическое усилие. Заключительный, четвертый этап заключается в отсоединении миозина от актина. Поперечный мостик остается стабильно прикрепленным к тонкому филаменту до тех пор, пока к миозиновой головке не присоединится новая молекула аденозинтрифосфата. Данный цикл многократно повторяется, обеспечивая плавное и сильное сокращение. При максимальном напряжении расстояние между Z-линиями саркомера может сокращаться до половины от первоначальной длины покоя.
Механика передачи мышечного напряжения
Сгенерированное скользящими филаментами усилие передается на костный аппарат посредством системы эластичных структур. К таким компонентам относятся внутриклеточные молекулы белка титина, а также окружающая мышечные волокна соединительная ткань и сухожилия. При укорочении клеток скелетной мускулатуры эти структуры в первую очередь подвергаются растяжению и становятся упругими. Только после натяжения всех эластичных элементов генерируемое напряжение транслируется через сухожилия на кости, что обеспечивает пространственное перемещение частей тела. Величина развиваемого мышцей напряжения находится в прямой зависимости от исходной длины саркомера. При оптимальной длине, составляющей около двух микрометров, наблюдается наилучшая зона перекрытия тонких и толстых нитей, что позволяет образовать максимальное число поперечных мостиков. При чрезмерном растяжении мышечного волокна зона перекрытия сокращается, количество активных миозиновых головок, контактирующих с актином, падает, и вырабатываемое напряжение закономерно снижается.
Нервно-мышечная передача
Функционирование скелетной мускулатуры контролируется соматическими двигательными нейронами, тела которых локализуются в структурах головного или спинного мозга. Взаимодействие между нервной и мышечной системами осуществляется через специализированные синапсы, называемые нервно-мышечными соединениями. Окончание аксона двигательного нейрона разделяется на скопления концевых луковиц, в цитозоле которых находятся синаптические пузырьки, заполненные нейромедиатором ацетилхолином. Напротив концевой луковицы располагается двигательная концевая пластинка мышечного волокна, представляющая собой участок сарколеммы с глубокими синаптическими складками. Подобная анатомическая организация значительно увеличивает площадь поверхности, на которой размещаются десятки миллионов трансмембранных рецепторов, чувствительных к ацетилхолину. Поступление нервного импульса провоцирует экзоцитоз синаптических пузырьков, в результате чего медиатор высвобождается в синаптическую щель. Связывание молекул ацетилхолина с рецепторами приводит к открытию ионных каналов, через которые внутрь мышечного волокна устремляются катионы, преимущественно ионы натрия. Приток положительно заряженных частиц заряжает внутреннюю часть волокна и генерирует мышечный потенциал действия, распространяющийся далее по сарколемме. Для предотвращения неконтролируемого спазма в синаптической щели функционирует фермент ацетилхолинэстераза, который оперативно расщепляет ацетилхолин на неактивные фрагменты, прекращая процесс стимуляции.
Патологические состояния и фармакологическое воздействие
Сложный механизм мышечного сокращения подвержен влиянию множества химических веществ и может нарушаться при различных патологических или терминальных состояниях. Наиболее известным примером нарушения описанных процессов является трупное окоченение, развивающееся спустя несколько часов после биологической смерти. Вследствие прекращения клеточного дыхания и синтеза аденозинтрифосфата останавливается работа кальциевых насосов. Ионы кальция беспрепятственно выходят в цитозоль, инициируя массовое образование поперечных мостиков. Из-за отсутствия энергии миозиновые головки теряют способность отсоединяться от актина, что приводит к формированию выраженной мышечной ригидности. Окоченение разрешается лишь спустя сутки в результате аутолиза тканей под действием ферментов лизосом. Фармакологическое вмешательство в работу синапсов позволяет изменять мышечный тонус. Ботулотоксин избирательно блокирует экзоцитоз синаптических пузырьков, препятствуя выделению ацетилхолина, что вызывает полный паралич иннервируемой мускулатуры. В строго дозированных количествах это вещество применяется в эстетической медицине для временного расслабления мимических мышц лица. Природный яд кураре действует по иному механизму, конкурентно связываясь с рецепторами ацетилхолина и блокируя их активацию. Вещества с антихолинэстеразным действием, напротив, подавляют активность разрушающего медиатор фермента. В терапевтических дозировках такие препараты, например, неостигмин, усиливают мышечное сокращение и применяются в качестве антидотов при отравлениях, однако при превышении дозы они способны спровоцировать генерализованные судороги. Для объективной клинической оценки описанных электрофизиологических процессов применяется электромиография, позволяющая регистрировать электрическую активность мышечной ткани в состояниях физиологического покоя и активной работы.