Механизмы мышечного сокращения

Мышечное сокращение состоит из циклов присоединения и отсоединения глобулярной «головки» миозина от нити F-актина. Биохими­ческий цикл мышечного сокращения состоит из пяти стадий:

1.Миозиновая головка может спонтанно гидролизовать АТФ до АДФ и Фн, при этом АДФ и Фн остаются в составе головки. Миозиновая головка, содержащая АТФ или АДФ и Фн, свободно вращается под большими углами.

2.При достижении нужного положения миозиновая головка с АТФ или АДФ и Фн может связываться с F-актином, образуя актин-миозиновый комплекс, в котором головка миозина располагается к оси фи­бриллы под углом 90°. Актин значительно ускоряется АТФ-азную активность миозина, в результате весь АТФ гидролизует до АДФ и Фн.

3.У АДФ и Фн низкое сродство к актин-миозиновому комплексу, поэтому они от него отделяются. При этом головка миозина изменяет свой угол к оси фибрил­лы

с 90° на примерно 45°, продвигая актин (на 10—15 нм) в направлении центра саркомера.

4.Новая молекула АТФ присоединяется к актин-миозиновому комплексу.

5.Комплекс актин-миозин-АТФ обладает низким сродством к актину, поэтому миозиновая головка с АТФ отделяется от F-актина. При этом наступает расслабление. Далее цикл возобнов­ляется.

Вследствие та­кого движения уменьшается длина каждого саркомера (укорачиваются Н-зона и I-диски) и всей мышцы в целом. При такой системе генерации движения, получившей название системы скользящих нитей, длина филаментов не изменяется. Напряжение, развивающееся при сокра­щении мышцы, пропорционально степени перекры­вают филаментов и, следовательно, числу попереч­ных мостиков. Эффективность такого сокращения около 50%, а двигателя внутреннего сгорания — менее 20%.

Регуляция сокращения и расслабления мышц

Мышечное сокращение находится под сложным регуляторным влия­нием со стороны нервной системы. Мышечное сокращение опосредуется Са²⁺. Кальциевые насосы постоянно перекачивают Са²⁺ из саркоплазмы в саркоплазматический ретикулум (у скелетных мышц) или межклеточный матрикс (миокард) (при участии Са-связывающего белка - кальсеквестрина). В результате в сар­коплазме покоящейся мышцы концентрация Са²⁺ составляет всего 10^-7-10^-8 моль/л. При действии, например,

ацетилхолина на ацетилхолиновые рецепторы происходит возбуждение сарколеммы. Потенциал действия сарколеммы, через Т-систему у скелетных мышц или напрямую у миокарда и гладких мышц, достигает кальциевых каналов саркоплазматического ретикулума (рианодиновые рецепторы). Кальциевые каналы открываются, выпуская Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума в саркоплазму, так что его концентрация в ней возрастает до 10^-5 моль/л. Далее механизм регуляции мышечно­го сокращения в поперечнополосатых и гладких мышцах отличается.

Актиновая регуляция

Актиновая регуляция характерна для поперечнополосатых мышц - скелетных и сер­дечной.

Мышечное сокращение скелетных мышц ингибирует тропомиозиновая система на 2 стадии сокращения, так как TпI предотвращает присоединение миозиновой головки к соответствующему связывающему сайту F-актина (TпI или изменяет конформацию F-актина или перемещает тропомиозин в то положение, в котором он блокирует сайты связывания миозиновых голо­вок на F-актине). Поступающий в саркоплазму Са²⁺ присоединяется к тропонину ТnС. Комплекс ТnС•Са²⁺ реагирует с TnI и ТnТ, влияя на их взаимодействие с тропомиозином. Тропомиозин при этом либо отсоединяется, либо изменяет конформацию F-актина таким образом, что появляется возможность присоединения к нему миозиновой головки тяжелой цепи. Начинается сократительный цикл. Расслабление происходит, когда 1) содержание Са²⁺ в саркоплазме падает ниже 10^-7 моль/л вслед­ствие его поглощения саркоплазматическим ретикулумом; 2) комплекс ТnС•Са²⁺ утрачивает свой Са²⁺; 3) тропонин, реагируя с тропомиозином, ингибирует дальнейшее взаимодействие миозиновой го­ловки с F-актином и 4) миозиновые головки в при­сутствии АТФ отделяются от F-актина, вызывая рас­слабление.

Так как в сердечной мышце основным источником ионов Са²⁺ для возбуждения служит внеклеточная жид­кость, при отсутствии Са²⁺ во внеклеточной жидкости сокращения сердечной мышцы прекращаю­тся в течение одной минуты. Скелетная мышца в та­ких условиях может сокращаться часами.

Исчезновение АТФ из саркоплазмы приводит к следующим последствиям: 1) Са²⁺-насос сарко­плазматического ретикулума перестает поддержи­вать низкую концентрацию Са²⁺ в саркоплазме; при этом стимулируется взаимодействие миозиновых головок с F-актином; 2) не происходит зависимого от АТФ отделения миозиновых головок от F-актина, при этом на 5 стадии мышечного сокращения наступает трупное окоченение.

Миозиновая регуляция

Миозиновая регуляция характерна для гладких мышц. У гладких мышц нет тропониновой системы, а легкая цепь (р-цепь) миозина подавляет его АТФ-азную активность и препятствует присоединению миозина к F-актину. В саркоплазме гладких мышц присутствует киназа легких цепей миозина, зависимая от Са²⁺. При повышении в саркоплазме Са²⁺, он присоединяется к кальмодулину. Комплекс кальмодулин-4Са²⁺ активирует киназу легких цепей миозина. Активная киназа легких цепей миозина фосфорилирует легкую цепь р, которая при этом перестает ингибировать АТФ-азную активность миозина и препятствовать взаимодействию миозина с F-актином. В результате начинается со­кратительный цикл.

Кальциевая регуляция сокращения гладких мышц (по Р. Марри, 1993).

Расслабление гладких мышц происходит, когда 1) содержание ионов Са²⁺ в саркоплазме падает ни­же 10^-7 моль/л; 2) Са²⁺ отсоединяется от кальмодулина, который в свою очередь отделяется от киназы легкой цепи миозина, вызывая ее инактивацию; 3) нового фосфорилирования легкой цепи р не происхо­дит, и протеинфосфатаза легкой цепи, которая по­стоянно активна и не зависит от кальция, отщепляет от легкой цепи р ранее присоединившиеся к ней фо­сфаты; 4) дефосфорилированная легкая цепь р мио­зина ингибирует связывание миозиновых головок с F-актином и подавляет активность АТФ-азы; 5) миозиновые головки в присутствии ATФ отделяются от F-актина, а повторное их связывание произойти не может из-за присутствия в системе дефосфорилированной легкой цепи р.