Биофизика мышечного сокращения

      Такой механизм активации обусловлен действием  Са²⁺ на тропонин, который работает как «кальциевый переключатель»: при связывании с Са²⁺ его молекула деформируется таким образом, что как бы заталкивает тропомиозин в желобок между двумя цепочками актиновых мономеров, т. е. в «активированное положение».

      Хранение  и высвобождение  ионов кальция. Расслабленная мышца содержит более 1 мкмоль Са²⁺ на 1 г сырой массы. Если бы соли кальция не были изолированы в особых внутриклеточных хранилищах, обогащенные его ионами мышечные волокна находились бы в состоянии непрерывного сокращения.

      Структура внутриклеточных систем хранения кальция  в разных мышцах не вполне одинакова (скелетная мышца человека (рис. 1.; мышца лягушки–рис. 5). Во многих участках поверхностная мембрана мышечной клетки образует углубления в виде трубочек (диаметром 50 нм), перпендикулярных продольной оси волокна; эта система поперечных трубочек соединяется с внеклеточной средой и обычно окружает каждую миофибриллу на уровне Z–пластинок (у лягушки) или 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 системы поперечных трубочек, образуя так называемые триады. В этих пузырьках и хранится внутриклеточный кальций. В отличие от поперечной системы продольная не сообщается с внеклеточной средой. Мембраны саркоплазматического ретикулума содержат работающий на энергии АТФ кальциевый насос, который осуществляет активный транспорт из миоплазмы в продольные трубочки, снижая таким образом примерно до 10^–7М миоплазматическую концентрацию этих ионов в покоящейся (расслабленной) мышце.

      Электромеханическое сопряжение происходит посредством  распространения потенциала действия по мембранам поперечной системы  внутрь клетки. При этом возбуждение  быстро проникает в глубь волокна, переходит на продольную систему  и в конечном счете вызывает высвобождение Са²⁺ из терминальных цистерн во внутриклеточную жидкость, окружающую миофибриллы, что и ведет к сокращению

      При одиночном импульсе сокращение кратковременно расслабление мышцы вызывается обратным переносом активирующих ионов Са²⁺ посредством кальциевого насоса в каналы саркоплазматического ретикулума. Удаление ионов Ca²⁺ из миоплазмы идет до тех пор, пока их концентрация в ней не упадет до примерно 10^–7 М. При этом подавляются активность АТФазы миозина и взаимодействие между актином и поперечными мостиками, которые отделяются от актиновых нитей.  

      Рис. 5. Схема электромеханического сопряжения. А. Расслабленное мышечное волокно с поляризованной клеточной мембраной. Концентрация Ca²⁺ в нем ниже 10^–7М. Б. Потенциал действия меняет полярность мембраны клетки и поперечных трубочек на противоположную; Ca²⁺ начинает выходить из терминальных цистерн. В. К моменту исчезновения потенциала действия внутриклеточная концентрация Ca²⁺ достигала примерно 10^–5М, и саркомеры миофибрилл укоротились. Справа вверху: временная последовательность событий при электромеханическом сопряжении от «латентного» периода до начала сокращения (портняжная мышца лягушки при 0°С)  

      Распространение возбуждения вглубь волокна.

      Этот  процесс составляет первый этап электромеханического сопряжения (рис. 6). Воздействуя через микроэлектрод слабыми импульсами тока на мышечное волокно лягушки, эти авторы вызывали локальную деполяризацию такого маленького участка плазматической мембраны, что стимулировалась только одна поперечная трубочка (на уровне Z–пластинки). Возникающее в результате местное сокращение (контрактура) ограничивалось саркомерами поверхностных миофибрилл, непосредственно прилегающих к этой трубочке. По мере усиления стимула активировались все глубже расположенные миофибриллы. Очевидно, мембраны поперечных трубочек легко возбуждаются электрическим током, способны проводить возбуждение и составляют важное звено в процессе передачи сигнала от клеточной мембраны к хранилищам кальция.

      Только  за счет такой электрической передачи по поперечной системе возможна быстрая мобилизация запасов кальция в глубине волокна, и только этим можно объяснить очень короткий латентный период между стимулом и сокращением. Диффузия Ca²⁺ от поверхностной мембраны к миофибриллам, находящимся в центре мышечного волокна толщиной 100 мкм, продолжалась бы гораздо дольше, так что для волокон скелетных мышц подобный механизм можно исключить уже по временным соображениям.

      Высвобождение кальция при одиночном  сокращении. Блинке с коллегами выделили из светящихся медуз белок экворин, который при взаимодействии с Ca²⁺ излучает свет. После инъекции этого белка изолированное мышечное волокно закрепляли изометрически и раздражали электрическим током с интервалами 100 или 200 мс. С помощью высокочувствительного фотометра (фотоумножителя) регистрировалась люминесценция (излучение света) экворина, сопровождавшая внутриклеточное высвобождение Ca²⁺ (рис. 7). При стимуляции с частотой 5 Гц она была кратковременной, поскольку ионный насос вскоре перекачивал высвобожденный в миоплазму Ca²⁺ обратно в саркоплазматический ретикулум; при таком режиме мышца совершает одиночные сокращения. Однако при ритмичном раздражении с частотой 10 Гц (второй стимул поступает уже через 100 мс после первого) волокно расслабляется не полностью. Второе сокращение накладывается на остаточное сокращение после первого стимула, третье – на предыдущие и т. д.

      Суммация одиночных сокращений ведет к росту как максимального напряжения в сократительном цикле, так и остаточной величины одиночных сокращений, хотя внутриклеточный уровень Ca²⁺ после каждого из них (судя по люминесценции) почти возвращается к уровню покоя.   

      Рис. 6. Опыт, демонстрирующий возможность локальной активации Т–системы. Слабое локальное раздражение микрокатодом волокна поперечнополосатой мышцы лягушки (в области Z–пластинки, непосредственно над Т–трубочкой) вызывает укорочение прилегающих I–дисков: А– до, Б– во время раздражения

      При этом  опыт, представленный на рис. 7, показывает, что увеличение общего напряжения при стимуляции с интервалами по 100 мс нельзя объяснить повышением уровня внутриклеточного Ca²⁺. 

      Высвобождение Са²⁺ при тетанусе. Если стимулы поступают с высокой частотой (не менее 20 Гц), уровень Са²⁺ в интервалах между ними остается высоким, потому что кальциевый насос не успевает вернуть все ионы в продольную систему саркоплазматического ретикулума. Как показывает рис. 7, в таких условиях отдельные сокращения почти полностью сливаются. Это состояние устойчивого сокращения, или тетанус, наблюдается в том случае, когда промежутки между стимулами (или потенциалами действия в клеточной мембране) меньше примерно 1/3 длительности каждого из одиночных сокращений. Следовательно, частота стимуляции, необходимая для их слияния, тем ниже, чем больше их длительность; по этой причине она зависит от температуры. Минимальный промежуток времени между последовательными эффективными стимулами во время тетануса не может быть меньше рефрактерного периода, который приблизительно соответствует длительности потенциала действия. 
 

      Рис. 7. Опыт, демонстрирующий внутриклеточное высвобождение Са²⁺ в мышечных волокнах. Люминесценция (красные кривые) и развитие изометрического напряжения в изолированном мышечном волокне шпорцевой лягушки при прямом раздражении импульсами тока длительностью по 0,5 мс с частотой 5, 10 и 20 Гц (моменты раздражения показаны штрихами под кривыми). Заметны суммация и слияние одиночных сокращений до (зубчатого) тетануса при повышении частоты стимуляции. Изометрическое напряжение измерено в ньютонах на 1 см² площади поперечного сечения мышцы, а люминесценция, вызванная Ca²⁺, в единицах силы анодного тока фотоумножителя. Вверху: схема экспериментальной установки, использованной Блинксом и др.  

      Закон «все или ничего». Этому закону подчиняются быстрые волокна скелетных мышц.

      Подпороговые  стимулы не вызывают потенциалов  действия и высвобождения Ca²⁺. Как только интенсивность стимула превысит определенный пороговый уровень, генерируется распространяющийся потенциал действия и происходит максимальное высвобождение Ca²⁺, это обеспечивает максимальную силу сокращения, уже не возрастающую при повышении интенсивности стимула.

      Вместе  с тем при электрическом раздражении  целой мышцы сила ее сокращения зависит  от интенсивности стимула. Например, если он едва превышает пороговый  уровень, ответ по типу «все или ничего» наблюдается только в волокнах, находящихся вблизи от электрода, где плотность тока максимальна; для возбуждения всех волокон требуется гораздо более сильный (максимальный) стимул. Таким образом, только сверхмаксимальное раздражение может равномерно и достаточно надежно активировать изолированную целую мышцу.  
 
 

      Рис. 8. Временной ход потенциала действия и изометрического сокращения поперечнополосатой мышцы (приводящей большой палец)  

      Закон «все или ничего» не означает, что  ответ раздражаемого мышечного волокна будет всегда одинаков по величине. Например, если мышца только что расслабилась после тетануса, одиночный стимул часто вызывает гораздо более сильное одиночное сокращение, чем до такого «кондиционирования». Причины этой посттетанической потенциации известны так же мало, как и механизм мышечною утомления–снижения силы сокращения при ритмической стимуляции. В обоих случаях у потенциалов действия нормальная амплитуда. При кислородной недостаточности и в еще большей степени при нарушении метаболизма иодацетатом ритмическая стимуляция сопровождается не только снижением силы сокращения, но и замедлением расслабления; в конечном итоге, когда запас АТФ истощается, такая «отравленная» мышца вообще утрачивает способность к расслаблению—становится ригидной. Состояние необратимой ригидности и тетанус следует отличать от различных видов длительного напряжения, обсуждаемых ниже. 
 
 
 
 
 
 
 

      Литература:

1. «Физиология человека» в 3т.  /под ред. Шмидт Р., Тевс Г.,  Москва: «Мир», 2004, 326 с.
2. Биофизика, книга 1. Учебное пособие для вузов. /под ред. А.Б.Рубина. - Москва: "Высшая школа", 1987., 365 с.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      План

1. Введение
2. Молекулярный механизм сокращения
3. Теория скользящих нитей
4. Укорочение саркомеров.
5. Работа поперечных мостиков
6. Генерирование мышечной силы.
7. Изометрическое теплообразование.
8. Регуляция мышечного сокращения
9. Электромеханическое сопряжениеЛокализация и механизм действия Са²⁺
10.   Распространение возбуждения вглубь волокна.Закон «все или ничего».