Сокращение скелетных мышц
Сокращение скелетных мышц
Общие сведения
Скелетная мускулатура составляет значительную часть массы тела, достигая примерно сорока процентов от ее общего объема. Будучи одной из основных сократимых тканей, она обеспечивает не только локомоцию и поддержание позы, но и участвует во множестве внутренних физиологических процессов. Скелетные мышцы, наряду с миокардом, относятся к поперечно-полосатой мускулатуре, что обусловлено их специфической микроскопической структурой, представляющей собой регулярное чередование светлых и темных участков. Структурная организация скелетной мышцы имеет строго иерархический характер. Мышца состоит из пучков мышечных волокон. Отдельное мышечное волокно представляет собой гигантскую многоядерную клетку вытянутой цилиндрической формы. В процессе эмбриогенеза мышечные волокна формируются в результате слияния одноядерных клеток-предшественников, миобластов. Особенностью зрелой мышечной клетки является утрата ею способности к клеточному делению, что обуславливает специфику восстановительных процессов при повреждениях мышечной ткани.
Структура и молекулярная организация мышечного волокна
Фундаментальной функциональной единицей скелетной мышцы является саркомер. Внутри мышечного волокна параллельно продольной оси располагаются миофибриллы, диаметр которых составляет один-два микрометра. Миофибриллы разделены специализированными Z-пластинками на последовательно расположенные саркомеры. Строгая упорядоченность саркомеров создает характерную поперечную исчерченность. При световой микроскопии определяются анизотропные темные А-диски, обладающие двойным лучепреломлением, и изотропные светлые I-диски. В центральной части саркомера располагаются толстые филаменты, основным компонентом которых является белок миозин. На обоих концах саркомера располагаются тонкие филаменты, образованные преимущественно актином. Актиновые нити прикрепляются к Z-пластинкам. Центральная часть А-диска, свободная от перекрытия тонкими филаментами, образует более светлую H-зону. В центре H-зоны визуализируется темная М-линия, состоящая из опорных белков, функция которых заключается в стабилизации пространственного положения толстых филаментов. На поперечном срезе в области перекрытия каждый миозиновый филамент окружен гексагональной решеткой из шести актиновых филаментов.
Белковый аппарат саркомера
Саркомер представляет собой сложный макромолекулярный комплекс, включающий десятки различных белков, однако ключевую роль в процессах сокращения играют миозин, актин и гигантский белок титин. Миозин функционирует как молекулярный мотор и АТФаза, преобразуя химическую энергию гидролиза аденозинтрифосфата в механическую работу. Молекула миозина состоит из двух тяжелых полипептидных цепей и нескольких пар легких цепей. Тяжелые цепи формируют длинный стержень и заканчиваются глобулярными головками, известными как субфрагмент S1. В этой области располагаются центры связывания актина и АТФ. Глобулярная головка способна совершать шарнирные движения, поворачиваясь на угол до шестидесяти градусов. Актин в мономерной форме представляет собой глобулярный белок. В физиологических условиях цитоплазмы глобулярный актин полимеризуется, образуя фибриллярный актин в виде двойной спирали. Эластичность и структурная целостность саркомера обеспечиваются титином. Молекулы титина связывают Z-пластинки с толстыми филаментами и функционируют как молекулярные пружины. При растяжении мышечного волокна именно титиновые тяжи генерируют пассивную силу упругости.
Механизм мышечного сокращения
Молекулярный механизм мышечного сокращения описывается теорией скользящих нитей. В процессе сокращения длина самих актиновых и миозиновых филаментов остается неизменной. Изменение длины саркомера происходит за счет продольного перемещения тонких филаментов вдоль толстых по направлению к М-линии. При этом наблюдается сужение I-дисков и H-зон. В основе данного процесса лежит цикличное взаимодействие поперечных мостиков миозиновых головок с актиновыми нитями. Рабочий цикл начинается с присоединения молекулы АТФ к миозиновой головке, что вызывает ее отсоединение от актинового филамента. Последующий гидролиз АТФ до АДФ и неорганического фосфата приводит к изменению конформации миозина. Миозин слабо связывается с новым участком актина. Отщепление фосфата инициирует силовой рабочий ход, при котором головка миозина поворачивается, продвигая актиновый филамент примерно на пять-десять нанометров. После завершения рабочего хода высвобождается АДФ, однако миозин остается прочно связанным с актином до присоединения новой молекулы АТФ. При отсутствии АТФ в клетке поперечные мостики не способны отсоединиться, что обуславливает развитие трупного окоченения.
Электромеханическое сопряжение и роль кальция
Регуляция циклической активности поперечных мостиков осуществляется посредством изменения внутриклеточной концентрации ионов кальция. В состоянии покоя концентрация кальция в саркоплазме крайне мала. В этих условиях регуляторные белки тропонин и тропомиозин пространственно блокируют участки связывания миозина на актиновых филаментах. При поступлении нервного импульса происходит деполяризация плазматической мембраны. Потенциал действия распространяется вглубь волокна по системе поперечных Т-трубочек, которые контактируют с продольными цистернами саркоплазматического ретикулума, образуя функциональные триады. Деполяризация мембраны вызывает конформационные изменения потенциал-зависимых дигидропиридиновых рецепторов, действующих как сенсоры напряжения. Они активируют рианодиновые рецепторы саркоплазматического ретикулума, которые служат кальциевыми каналами. Происходит массивный выход кальция из ретикулума в саркоплазму. Ионы кальция связываются с субъединицей С тропонина, что вызывает структурные перестройки всего комплекса. Тропомиозин смещается в желобки актиновой спирали, открывая доступ миозиновым головкам к актину. Расслабление мышцы наступает в результате активного транспорта ионов кальция обратно в саркоплазматический ретикулум посредством кальциевой АТФазы. По мере снижения концентрации кальция тропомиозин возвращается в исходное положение, блокируя поперечные мостики.
Биомеханика и типы мышечных сокращений
Мышечное волокно функционирует согласно закону все или ничего, где возникновение потенциала действия генерирует строго определенный физиологический ответ. В естественных условиях двигательные нейроны посылают к мышце серию импульсов. Если интервал между стимулами меньше длительности одиночного сокращения, происходит суперпозиция механических ответов, формирующая тетаническое сокращение. При достижении высокой частоты стимуляции ионы кальция постоянно присутствуют в саркоплазме из-за невозможности их быстрого обратного захвата ретикулумом, что обеспечивает максимальную силу гладкого тетануса. Регуляция силы мышечного сокращения целой мышцы осуществляется частотой стимуляции и количеством вовлеченных двигательных единиц, активирующихся асинхронно для поддержания плавного усилия. Выделяют различные типы сокращений, в том числе изометрическое, при котором длина мышцы не изменяется, но генерируется механическое напряжение за счет циклической работы мостиков на одних и тех же участках филаментов.
Трофика, адаптация и патологические состояния
Скелетные мышцы обладают высокой пластичностью в ответ на функциональные нагрузки. Регулярная физическая активность приводит к рабочей гипертрофии, при которой увеличивается диаметр мышечных волокон за счет синтеза дополнительных сократительных белков, хотя общее число клеток остается прежним. Данный процесс требует интенсивного белкового обмена. В отсутствие стимуляции, при старении организма или повреждении иннервации развивается мышечная атрофия, сопровождающаяся деградацией белков и снижением силы. При потере иннервации возникают патологические изменения возбудимости. Сарколемма становится гипервозбудимой, что на начальных этапах приводит к спонтанной генерации потенциалов действия фибрилляциям. Впоследствии мышечная ткань полностью замещается соединительной. Регистрация биоэлектрической активности мышц с помощью клинической электромиографии позволяет диагностировать различные нервно-мышечные нарушения, оценивая частоту, амплитуду разрядов и функциональное состояние двигательных единиц.