Физиология клетки

Рис. 10. Структура миофибрилл. Показаны диски А и I, полоски Z и Н (а). Взаимное расположение толстых (миозиновых) и тонких (актиновых) нитей в расслабленной (б) и сокращенной (в) миофибрилле.
Светлые I-диски делятся пополам поперечной темной Z-линией, с обеих сто­рон которой крепятся тонкие (актиновые) протофибриллы. Участок между двумя со­седними Z-линиями называется саркомером. Он представляет собой основную по­вторяющуюся структуру миофибриллы. Длина саркомера обычно лежит в пределах 2—3 мкм. Эта зона перекрывания в А-диске выглядит в световом микроскопе гораздо темнее центральной Н-зоны, в которой нет актиновых нитей. На электронных микрофотогра­фиях Н-зоны видна очень тонкая темная М-линия в середине саркомера − сеть опорных белков, по-ви­димому, удерживающих толстые нити в составе единого пучка.
При длине типичного мы­шечного волокна человека 5 см его миофиб­риллы насчитывают порядка 20 000 последо­вательно расположенных саркомеров. Мио­фибриллы, точнее их саркомеры, являются сократительным аппаратом, «мотором» мы­шечного волокна.
Итак, в каждом саркомере имеется два на­бора тонких нитей, прикрепленных к Z-ли-ниям, и один комплект толстых нитей, со­средоточенных в А-диске. В покоящейся мышце концы толстых и тонких филаментов лишь незначительно перекрываются на гра­нице между А- и I-дисками. При сокращении мышцы зона перекрытия тонких и толстых филаментов увеличивается, ширина А-дисков и Н-зон уменьшается (см. рис. ).
Один грамм ткани скелетной мышцы содержит около 100 мг сократительных бел­ков. В настоящее время в основных чертах установлена тонкая структура тонких и толстых филаментов. Толстые филаменты состоят из сократительного белка миозина, а тонкие — из ак­тина.
Миозиновые филаменты образуются более чем 200 молекулами миозина (молекулярная масса 42000). Каждая из них скручена попарно и имеет выступающий отросток, называемый головкой. Головки направлены под углом от центра в сторону тонких нитей (напоминают ёрш для мытья посуды). В основании головки миозина имеется фермент АТФ-аза, а на самой головке располагаются легкие цепи и молекула АТФ.
Актиновые филаменты скомпанованы из двух актиновых нитей, представляющих собой как бы бусинки глобулярных молекул актина (молекулярная масса 500000). Тонкие нити имеют активные центры, расположенные друг от друга на расстоянии 40 нм, к которым могут прикрепляться головки миозина. Кроме актина в тонких нитях имеются и другие белки − тропомиозин, тропонины (I,T,C). Тропомиозин и тропонин образуют регуляторный белковый комплекс, который в невозбужденной мышце блокирует взаимодействие между актином и миозином. В результате невозбужденная мышца рас­слаблена. Блокирующая роль тропонина снимается ионами кальция (Са²⁺), поступа­ющими к сократительным белкам при воз­буждении.
В поперечном сечении толстые и тонкие филаменты расположены правильными шестиугольниками так, что каждая толстая нить окружена шестью тонкими, а каждая тонкая может вступать в контакт с тремя толстыми.
Система микротрубочек скелетной мышцы представляет собой сложный биокомплекс. Во многих участках поверхностная мембрана мышечной клетки образует углубления в виде Т-трубочек (диаметром 50 нм), перпендикулярных продольной оси волокна; эта система поперечных трубочек соединяется с внеклеточной средой и обычно окружает каждую миофибриллу в области I-дисков (у высших позвоночных ).
Перпендикулярно поперечным трубочкам, т.е. параллельно миофибриллам, расположена система продольных трубочек (истинный саркоплазматический ретикулум). Пузырьки на их концах (терминальные цистерны) прилегают к мембранам ситемы поперечных трубочек, образуя так называемые триады. В этих пузырьках и хранится внутриклеточный кальций. В отличие от поперечной системы продольная не сообщается с внеклеточной средой. Саркоплазматический ретикулум выполняет важную функцию в инициации сокращения мышцы, являясь депо Са²⁺. Мембраны саркоплазматического ретикулума содержат работающий на энергии АТФ кальциевый насос, который осуществляет активный транспорт Са²⁺ из миоплазмы в продольные трубочки, снижая таким образом примерно до 10^-7 М миоплазматическую концентрацию этих ионов в покоящейся (расслабленной) мышце.

3.1.2. Механизм сокращения мышцы

Механизм мышечного сокращения на молекулярном уровне объясняет теория скользящих нитей, разработанная Хаксли и Хансон (1954).
При электронной микроскопии обнаружено, что на миозиновых нитях имеются выступы, получившие название поперечных мостиков. Поперечные мостики, состоящие из головки и шейки, протянувшиеся от миозиновых нитей, в спокойном состоянии не могут со­единиться с актиновыми нитями из-за особо­го расположения тропомиозина, закрываю­щего активные центры актина и препятству­ющего их взаимодействию с поперечными мостиками миозина. Тропонин подавляет миозин-АТФазную активность, что делает невозможным расщепление АТФ, в результа­те мышечные волокна пребывают в расслаб­ленном состоянии (рис.11).

Рис.11. Действие Са²⁺ во время активации миофибриллы.

А. Актиновая и миозиновая нити на продольном сечении волокна.
Б. Они же на поперечном сечении. Когда Са²⁺ связывается с тропонином, тропомиозин попадает в желобок между двумя мономерами актина, обнажая участки прикрепления поперечных мостиков (по Haxley, 1973 c изменениями Р.Шмидта и Г. Тевса, 1995).

Сокращение скелетной мышцы волокон начинается с приходом нервного импульса к сарколемме, который приводит к формированию ПД. Возникающий ПД рас­пространяется по поверхностной мем­бране, а также по мембранам, выстилающим поперечные трубочки Т-системы. Проникая внутрь волокна, электрическая волна приво­дит к деполяризации мембран продольных трубочек и цистерн саркоплазматического ретикулума. Деполяризация мембраны цистерн открывает электровозбудимые кальциевые каналы. В связи с тем, что в саркоплазме концентрация кальция менее 10^-7 М/л, а в саркоплазматическом ретикулуме − более 10^-4 М/л, начинается интенсивный выход ионов кальция в саркоплазму. Выделившийся свободный Са²⁺ и является инициатором мышечного сокращения.

Достаточный для начала мышечного сокращения уровень ионов кальция достигается через 12-15 мс после прихода нервного импульса. Это скрытый, латентный период мышечного сокращения. В связи с тем, что скорость распространения ПД по сарколемме выше времени, необходимого для выделения Са²⁺из саркоплазматического ретикулума, то все фибриллы участка мышцы, иннервируемого одним нервом, сокращаются одновременно.
Совокупность явлений, обусловливающих связь между возбуждением (потенциалом действия) и сокращением мышечных волокон, получила название «электромеханичес­кого сопряжения», или «электромеханической связи».


Рис. 12. Взаимоотношения клеточной мембраны (1), поперечных трубочек (2), боковых цистерн (3) и продольных трубочек (4) саркоплазматического ретикулума, миозиновых и актиновых нитей (5) мышеч­ного волокна. А—в состоянии покоя; Б—во время сокращения.
Деполяризация мембраны и поперечных трубочек вызвала освобождение ионов Са²⁺ из боковых цистерн. Освободив­шиеся ионы Са²⁺ диффундируют по направлению к миофибриллам и частично захватываются продольными трубочками ретикулума.

Механизм инициации сократительного процесса представляется в настоящее время следующим обра­зом. В присутствии ионов Са²⁺, а также АТФ тропонин изменяет свою конфигурацию и отодвигает нить тропомиозина, открывая возможность соединения головки поперечно­го мостика миозина с актином (см. рис.11). Соединение головки фосфорилированного миозина с ак­тином приводит к тому, что головка приобре­тает АТФазную активность, в ней происходит гидролиз АТФ, сопровождаемый изменением пространственной ориентации. Последнее носит форму гребкового движения, обеспечи­вающего втягивание тонких актиновых миофиламентов в промежутки между толстыми миозиновыми миофиламентами на один шаг (примерно 20 нм) без изменения длины миофиламентов. После этого, образующиеся Ф и АДФ, отходят, а на их место присоединяется новая молекула АТФ. Это приводит к разрыву связи миозина с активным центром актина. Затем следуют отрыв мостика и повторение всего цикла. При каждом гребковом движении головки поперечного мостика расщепляется одна молекула АТФ. Скорость расщепления АТФ является фактором, пред­определяющим частоту гребковых движений и, таким образом, скорость скольжения нитей актина относительно нитей миозина. Целая мышца укорачивается в результате сокращения множества саркомеров, соеди­ненных последовательно в миофибриллах (рис. 12).

Обнаружено, что при сокращении скелет­ной мышцы лягушки поперечные мостики должны совершить за 0,1 с 50 гребковых дви­жений, чтобы обеспечить укорочение каждо­го саркомера волокна на 50 %.
Таким образом, при сокращении мышцы:
− актиновые и миозиновые нити практически не укорачиваются;
− взаимодействие актина с миозином приводит к взаимному вхождению нитей в промежутки между ними;
− в результате две соседние Z-мембраны приближаются друг к другу и при максимально сильном сокращении расстояние между ними может уменьшиться почти в два раза;
− так как заключенная внутри саркомера саркоплазма несжимаема, то при уменьшении длины саркомер (мышца) расширяется;
− подобные процессы одновременно протекают во всех саркомерах мышечного волокна, поэтому оба конца мышцы подтягиваются к центру.