Биохимический механизм мышечного сокращения
Сократительная система представляет собой сложный многокомпонентный комплекс. Основными его частями являются ряд миофибриллярных белков (миозин, актин, актомиозин, тропонин, тропомиозин), ионы кальция, мак-роэргические соединения, обеспечивающие энергией процесс сокращения.
Рассмотрим вначале сократительные белки и их взаимодействие в процессе сокращения. Клетки мышечной ткани связаны в пучки удлиненных волокон (миофибриллы). Каждая миофибрилла состоит из повторяющихся единиц — сар-комеров. Саркомер содержит два типа филаментов-агрегатов из нескольких молекул белка (миозиновый филамент и акти-новый филамент). Миозиновые нити более толстые, а актино-вые нити тонкие. Диаметр толстых нитей равен примерно 15-17 нм, а диаметр тонких — около 6-7 нм. В саркомерах они расположены параллельно и в большей или меньшей степени перекрываются. Взаимодействие миозина и актина приводит к образованию актомиозинового комплекса. Молекула миозина состоит из двух а-спиралей. Миозин имеет как фибриллярную структуру, так и глобулярную на отдельных участках (головки миозина). Эти головки равномерно распределены вдоль толстой нити и обладают ферментативной активностью. Этими участками молекула миозина соединяется с соответствующими участками актина. С миозином может взаимодействовать лишь одна из форм актина (F-актин), которая является полимером G-актина. Молекула F-актина напоминает нитку бус, где отдельные фрагменты —молекулы глобулярного актина (G-актина).
В отличие от миозина, где имеются выступающие участки — головки миозина, актин не имеет выступов на поверхности, участки связывания расположены по всей длине акти-новых филаментов. Контакт толстых нитей с тонкими вызывает гидролиз АТФ. Миозин обладает высоким сродством к АТФ и способен самостоятельно расщеплять АТФ, однако в присутствии актина АТФазная активность миозина значительно возрастает. Освобождающаяся при гидролизе АТФ энергия приводит к изменению конформации головки миозиновой молекулы, что, в свою очередь, приводит к возникновению механической силы. Так химическая энергия переходит в механическую энергию мышечного сокращения.
В результате мышечного сокращения мышца укорачивается, но длина как миозиновых, так и актиновых филаментов остается неизменной. Это может быть только при взаимном скольжении толстых и тонких нитей. Полагают, что конфор-мационные изменения миозиновых головок приводят к их перемещению в новые центры связывания на актиновом фи-ламенте. Миозиновые филаменты втягиваются в промежутки между актиновыми филаментами.
Почему же, несмотря на постоянное наличие в мышце сократительных белков и АТФ, мышца сокращается лишь в определенные периоды времени? Установлено, что изложенный выше механизм приводится в действие изменением концентрации в саркоплазме ионов кальция. В состоянии расслабления концентрация ионов кальция в саркоплазме очень низка и составляет ниже 10"7 М. При увеличении концентрации элемента до 10~в М и выше создаются условия для соединения актина с миозином и расщепления АТФ актомиозино-вым комплексом.
Нервный импульс приводит к высвобождению кальция из поперечных мембранных трубочек мышечной клетки. Прекращение нервного импульса сопровождается обратным движением кальция, который переносится из саркоплазмы в пузырьки (цистерны) саркоплазматического ретикулума, где его концентрация достигает 10"3 М. Этот процесс, представляющий кальциевый насос (Са2+ — АТФаза), энергетически обеспечивается расходом АТФ. Таким образом, распад АТФ имеет место как в период сокращения, так и в период расслабления мышцы. Таким образом, именно концентрация кальция регулирует мышечную деятельность. Взаимодействие кальция с сократительными белками осуществляется через регуляторные белки мио-фибрилл — тропонин и тропомиозин. Именно тропонин является местом связывания кальция. Тропонин, взаимодействуя с тро-помиозином, образует комплекс, прикрепленный к актину. Конформационные изменения тропонина запускают сложный механизм мышечного сокращения. Эти конформационные изменения оказывают влияние на миозиновые головки толстых нитей, где возбуждается аденозинтрифосфатная активность, приводящая к механической работе мышечного сокращения.
Коротко пусковая роль кальция и его связь с сократительными белками может быть выражена следующим образом:
Са2+ -» тропонин -» тропомиозин -> актин -> миозин Остановимся на энергетическом обеспечении мышечного сокращения. Непосредственным источником энергии для сокращения мышцы является АТФ, его гидролиз. Однако имеющегося количества АТФ в мышце может хватать лишь для выполнения сокращения в течение долей секунды. Тем не менее мышца готова ответить на нервный импульс сокращением в любой момент, что свидетельствует о наличии достаточно высокого и постоянного уровня АТФ в мышце. Непрерывный распад АТФ и постоянство содержания этого макроэрга в мышечных клетках предполагает непрерывный ресинтез АТФ. Какие же процессы работают на обеспечение постоянства количества АТФ в мышце?
Мышцы содержат резервные запасы макроэрга в форме креа-тинфосфата, количества которого в покоящейся ткани в 6 раз превышают количества АТФ. Креатинфосфат при участии фермента креатинкиназы передает фосфатную группу на АДФ с образованием АТФ и креатинина, причем креатинфосфат характеризуется более высокой способностью к переносу фосфатных групп, чем АТФ. После завершения сокращения или когда генерация АТФ в мышце превышает его использование, креатин-киназа катализирует фосфорилирование креатина за счет АТФ.
Следующей альтернативной системой генерации АТФ является аденилаткиназная реакция:
2 АДФ АТФ + АМФ
Распад АТФ при мышечном сокращении приводит к увеличению содержания АДФ, тогда как аденилаткиназная реакция — к увеличению содержания АМФ. Увеличение содержания АДФ и АМФ приводит к снижению энергетического заряда, что, в свою очередь, стимулирует гликолиз, цикл три-карбоновых кислот, окислительное фосфорилирование — процессы, которые сопровождаются образованием АТФ.
Мышца содержит значительное количество энергетического материала — гликогена. На долю мышц приходится около 75% всего гликогена организма. Распад гликогена сопровождается образованием промежуточного продукта — глюкозо-6-фосфата. В отличие от печени (где также содержится гликоген) мышца не обладает дефосфорилирующим ферментом и не по-ставляет глюкозу в кровь. Более того, мышцы задерживают глюкозу, которую они предпочитают другим источникам энергии в период повышенной мышечной активности. Распад гликогена и глюкозы в мышце приводит к образованию пирови-ноградной и молочной кислоты. При длительной работе мышца испытывает недостаток кислорода, поэтому пировиноградная кислота переходит в молочную кислоту, избыток которой характерен для анаэробных условий. Анаэробный гликолиз и гликогенолиз энергетически менее выгодны по сравнению с распадом углеводов в аэробных условиях. Тем не менее он очень важен, так как позволяет мышце работать при длительных мышечных нагрузках, всегда сопровождающихся недостатком кислорода. Следует отметить, что анаэробный гликолиз при длительных нагрузках подключается после использования мышцей креатинфосфата. В активно сокращающихся скелетных мышцах скорость гликолиза значительно превосходит скорость цикла трикарбоновых кислот. При длительной работе умеренной интенсивности энергетика обеспечивается АТФ, полученным в результате аэробного окисления субстратов.
Для покоящейся мышцы энергетика обеспечивается в основном распадом жирных кислот, а значит, метаболизм покоящейся мышцы существенно отличается от метаболизма активно работающей мышцы.
В раннюю стадию голодания метаболическим топливом для скелетных мышц являются свободные жирные кислоты, мобилизованные из жировой ткани. Жирные кислоты обеспечивают 50-60% энергии скелетных мышц в состоянии покоя и при сокращении. В отличие от глюкозы, использование жирных кислот мышцами не требует дополнительной гормональной регуляции инсулина.
В поздние стадии голодания скелетные мышцы используют кетоновые тела, синтезируемые печенью. Использование жирных кислот и кетоновых тел сохраняет глюкозу для других тканей, которые тратят глюкозу как основной метаболический субстрат. Мышцы не могут использовать жирные кислоты или кетоновые тела в качестве источника энергии при анорексии.
Разветвленные аминокислоты (лейцин, изо лейцин, валин) распадаются при голодании животного как источники энергии для поперечно-полосатой и сердечной мышц. Первым этапом катаболизма разветвленных аминокислот является реакция трансаминирования с участием а-кетоглутаровой кислоты с образованием глутаминовой кислоты и трансаминирование глутамата с пировиноградной кислотой для получения алани-на. Алании конвертируется в глюкозу в печени.
Энергетика сердечной мышцы лишь на 1/3 обеспечивается распадом углеводов. Более предпочтительным энергетическим субстратом является ацетоуксусная кислота. Существенные нарушения структуры и биохимического состояния мышц (мышечная дистрофия) наблюдаются у телят, овец и птиц при недостатке витамина Е. Для мышечной дистрофии характерно усиление поглощения мышцами кислорода. Содержащиеся в мембранах ненасыщенные жирные кислоты окисляются до активных радикалов и перекисей, обладающих повреждающими свойствами, в частности, повреждаются мембраны лизосом, содержащих большое количество гидролитических ферментов. Эти ферменты разрушают мышечные волокна, о чем свидетельствует увеличение содержания в моче креатина, предшественника креатинфосфата. Фракционный состав белков мышечной ткани при мышечной дистрофии меняется — увеличивается фракция белков стромы и сарко-плазматических белков, а содержание миофибриллярных белков существенно снижается. Таким образом, в мышце уменьшается концентрация основных белков сократительного аппарата — миозина и актина, что не может не отразиться на сократительной способности мышцы. Ситуация усугубляется и недостатком креатинфосфата, участвующего в синтезе АТФ, непосредственно обеспечивающего мышечное сокращение энергией.
Имеются убедительные данные, что мышечная дистрофия связана не только с недостатком витамина Е, но и с недостатком других антиоксидантов (витамина A, Se, глутатион).