РОЛЬ АТФ В МЕХАНИЗМЕ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ
Когда мышца расслабляется, головки миозина отходят от актиновых нитей. Поскольку актиновые и миозиновые нити могут легко скользить относительно друг друга, сопротивление растяжению в расслабленных мышцах оказывается низким, поэтому удлинение мышцы во время расслабления является пассивным.
МЕХАНИЗМ СОКРАЩЕНИЯ МЫШЕЧНОГО ВОЛОКНА.
Основное положение теории скользящих нитей – во время скольжения (сокращения) сами актиновые и миозиновые нити не укорачиваются, так как ширина диска А остается при сокращении постоянной, а І-диски и Н-зоны становятся более узкими или совсем исчезают. Длина протофибрилл не изменяется и при растяжении мышцы. Вместо этого пучки тонких нитей, скользя, выходят из промежутков между толстыми нитями, так что степень их перекрытия уменьшается
Каким же образом осуществляется «разнонаправленное скольжение» актиновых нитей в соседних половинах саркомера?
Во время сокращения каждая головка миозина, или поперечный мостик, связывает миозиновую протофибриллу с актиновой. Наклоны головок создают объединенное усилие, и происходит скольжение (гребок), продвигающий актиновую нить к середине саркомера. Биполярная организация молекул миозина в двух половинах саркомера уже обеспечивает возможность скольжения актиновых нитей в противоположном направлении в левой и правой половине саркомера.
ЭТАПЫ ГЕНЕРАЦИИ СОКРАЩЕНИЯ.
1. Стимуляция мышечного волокна: возбуждение мышц обычно происходит при поступлении потенциала действия от иннервирующих мотонейронов через посредство нервно-мышечных синапсов.
2. В результате на мембране мышечного волокна формируется ПД, который распространяется вглубь мышечного волокна к миофибриллам.
3. Происходит процесс электромеханического сопряжения: он представляет собой преобразование электрического потенциала действия в механическое «скольжение» протофибрилл по отношению друг к другу. Этот процесс происходит в несколько этапов с обязательным посредством ионов кальция!
Механизм, посредством которого Са2+ активирует волокно, легче понять при рассмотрении структуры актиновых нитей. Актиновая нить длиной около 1 мкм и толщиной 5-7 нм состоит из двух закрученных один вокруг другого и напоминающих нитки бус мономеров актина толщиной каждой по 5 нм. Через регулярные промежутки примерно 40 нм на цепях актина находятся сферические молекулы тропонина, а в желобках между цепями актина лежат нити тропомиозина. В отсутствии Са2+, т.е. при расслаблении миофибрилл, длинные молекулы тропомиозина располагаются так, что блокируют прикрепление поперечных мостиков миозина к актиновым цепям. Под влиянием активирующего начала ионов Са2+ молекулы тропомиозина глубже опускаются в желобки между мономерами актина, открывая участки прикрепления для поперечных мостиков миозина. В результате мостики миозина прикрепляются к актиновым нитям, АТФ расщепляется и развивается мышечная сила. Эти активационные эффекты обусловлены действием Са2+ на тропонин, причем последний работает как «кальциевый переключатель», а именно: при связывании с Са2+ молекула тропонина деформируется так, что она толкает тропомиозин в желобки между нитями актина. При этом концентрация тонов Са2+ должна достигать пороговой величины 10-6 – 10-5 моль/л.
Хранение и высвобождение ионов кальция. В состоянии расслабления мышца содержит более 1 мкмоль Са на 1 г сырого веса. Если бы соли Са не были изолированы в особых внутриклеточных хранилищах, обогащенные кальцием мышечные волокна находились бы в состоянии непрерывного сокращения. Структура внутриклеточных систем хранения кальция следующая: во многих участках мембрана мышечной клетки углубляется внутрь волокна, перпендикулярно его продольной оси, образуя трубки; эта система поперечных трубочек (Т-система) соединяется с внеклеточной средой. Перпендикулярно Т-системе, т.е. параллельно миофибриллам, расположена система продольных трубочек (истинный саркоплазматический ретикулум). Пузырьки на концах этих трубочек, терминальные цистерны, находятся очень близко к мембранам поперечной системы, образуя триады. В этих пузырьках и хранится внутриклеточный Са2+. В отличие от поперечной системы продольная система не соединяется с окружающей средой.
Таким образом, электромеханическое сопряжение происходит посредством распространения потенциала действия по мембранам поперечной системы внутрь клетки. При этом возбуждение быстро проникает во внутрь волокна, переходит к продольной системе и, в конечном счете, вызывает высвобождение ионов Са2+, которые хранятся в терминальных цистернах, во внутриклеточную жидкость около миофибрилл, что ведет к сокращению.
В процессе взаимодействия миозиновых и актиновых нитей в присутствии Са2+ важную роль играет АТФ.
Энергия АТФ используется во время деятельности скелетной мышцы для трех основных процессов:
1) работы натрий-калиевого насоса, обеспечивающего поддержание постоянства градиента концентрации ионов натрия и калия по обе стороны мембраны;
2) процесса скольжения актиновых и миозиновых нитей, ведущего к укорочению миофибрилл;
3) работы кальциевого насоса, необходимого для расслабления волокна.
В соответствии с этим фермент АТФаза локализован в трех различных структурах мышечного волокна: клеточной мембране, миозиновых нитях, мембранах саркоплазматического ретикулума. АТФ гидролитически арсщепляется и, таким образом, энергетически утилизируется с помощью АТФазы – фермента миозина; причем, процесс активируется актином.
Рис.
Потребление АТФ при сокращении. Сейчас известно, что головки миозина, которые взаимодействуют с актином, сами содержат каталитические активные центры для расщепления АТФ. АТФаза миозина активируется актином в присутствии ионов Mg2+. Поэтому при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии ионов Mg2+, АТФ расщепляется с освобеждением АДФ и фостата только в случае прикрепления головки миозина к активирующему белку – актину. В каждом цикле прикрепления-отсоединения поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, 1 молекула АТФ на 1 поперечный мостик). Это означает, что чем больше поперечных мостиков находится в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ и сила, развиваемая мышцей. Таким образом, скорость расщепления АТФ (или метаболическая скорость) и сила, развиваемая мышцей, бывают обычно пропорциональны друг другу. Мышечное сокращение происходит тем быстрее, чем скорее передвигаются поперечные мостики, т.е. чем больше гребковых движений они делают в единицу времени. В результате быстрые мышцы потребляют больше АТФ (или энергии) в единицу времени, чем медленные мышцы, и сохраняют меньше энергии во время тонического удержания нагрузки. Поэтому для «изометрической работы» организм использует преимущественно медленные (тонические) «красные» мышцы, тогда как бедные миоглобином «белые» мышцы служат для быстрых движений.
Механизм действия АТФ. Молекула АТФ с поперечным мостиком после завершения его «гребкового» движения, и это обеспечивает энергию для разделения компонентов, участвующих в реакции – актина и миозина. После этого головки миозина отсоединяются от актина; затем АТФ расщепляется до АДФ и фосфата с промежуточным образованием комплекса фермент-продукт. Расщепление является обязательным условием для следующего прикрепления поперечного мостика к актину с освобождением АДФ и фосфата и «гребковым» движением мостика. Когда движение мостика завершается, с ним связывается новая молекула АТФ, и начинается новый цикл.
Циклическая активность поперечных мостиков, т.е. ритмическое прикрепление и отсоединение мостиков, которое обеспечивает мышечное сокращение, возможна только до тех пор, пока продолжается гидролиз АТФ, т.е. пока происходит активация АТФазы. Если расщепление АТФ заблокировать, мостики не могут повторно прикрепляться, мышца расслабляется.
После смерти содержание АТФ в мышечных клетках снижается, когда оно переходит критический уровень, поперечные мостики оказываются устойчиво прикрепленными к актиновой нити (пока не произойдет аутолиз). В таком состоянии актиновые и миозиновые нити прочно связаны друг с другом, мышца находится в состоянии трупного окоченения.
Ресинтез АТФ осуществляется двумя основными путями:
1) ферментативный перенос фосфатной группы от креатинфосфата на АДФ. Ресинтез обеспечивается по этому пути в течение тысячных долей секунды, т.к. запасы КФ значительно больше в клетке, чем АТФ;
2) гликолитические и окислительные процессы в покоящейся и деятельной мышце – медленный ресинтез АТФ через окисление молочной и пировиноградной кислот.
Нарушение ресинтеза АТФ ядами ведет к полному исчезновению АТФ и креатинфосфата, вследствие чего кальциевый насос перестает работать. Концентрация Са2+ в области миофибрилл значительно возрастает и мышца приходит в состояние длительного необратимого укорочения. Это состояние называется контрактурой.