Биохимические процессы, происходящие в мышце при сокращении и расслаблении

При мышечном сокращении происходит повторяющееся образо­вание и разрушение спаек между «головками» миозиновых моле­кул толстых протофибрилл и активными центрами С-актиновых единиц тонких протофибрилл. Возникновение спайки можно пред­ставить себе следующим образом. В расслабленной мышце «го­ловки» миозина, образующие боковые отростки толстых протофиб­рилл, расположены перпендикулярно по отношению к продольной оси толстой протофибриллы. В ходе сокращения «го­ловка» переходит в угловое положение. При этом замыкается спайка между актином и миозином. Затем изменяется структура «головки» миозиновой молекулы, вследствие чего в спайке развивается напряжение; она укорачивается и продвигает актиновую нить вдоль миозиповой по направлению к центру саркомера на расстояние, равное длине Ф-актиновой единицы.

Чтобы полностью вдвинуть тонкие протофибриллы в промежут­ки между толстыми, одной спайки недостаточно. В момент сокра­щения образуется около 300 спаек в минуту в каждом центре.

Укорочение спайки и продвижение актиновой нити вдоль мио­зиновой -процесс, требующий затраты энергии. Веществом, хи­мическая энергия которого может быть непосредственно преобра­зована в механическую работу мышечного сокращения, является АТФ. Такое преобразование энергии происходит при гидролитиче­ском расщеплении АТФ, ускоряемом ферментативным центром миозина. Энергия при этом передается миозину, который, изменяя свою внутреннюю структуру, совершает механическую работу.

В покоящейся мышце имеется и миозин, и связанная с ним через ионы Мg-АТФ, однако расщепления АТФ миозином не происходит и спайки между миозином и актином не образуются. Этому препятствует связывание ионов Са++ белковым веществом, входящим в состав SR. АТФ в мышце находится в ионизированном состоянии в виде анионов АТФ~⁴ (свободная) и Мg-АТФ~² (свя­занная с миозином). АТФ присоединяется к миозину в некотором отдалении от центра АТФ-азной активности, который также заря-отрицательно. Пока этот заряд не будет нейтрализован иона-

ми Са++, АТФ не может реагировать с центром и расщепляться, Образованию спаек миозина с актином в покое препятствует комплекс тропомиозина с тропонином, несущий (за счет тропонина) большой отрицательный заряд и блокирующий активные цент­ры актина.

Положение меняется только с приходом нервного импульса, когда в области двигательных нервных окончаний выделяется пе­редатчик импульсов — нейрогормон ацетилхолин. Его полярная молекула, взаимодействуя с белками сарколеммы, изменяет их структуру таким образом, что проницаемость сарколеммы для ионов Na⁺ становится значительно больше, чем в покое. Ионы Nа+ устремляются внутрь мышечного волокна, нейтрализуя отрицатель­ный заряд на внутренней поверхности сарколеммы. Происходит деполяризация сарколеммы и связанных с ней поперечных трубо­чек саркоплазматического ретикулума. От трубочек волна возбуж­дения передается мембранам пузырьков и цистерн, основная масса которых оплетает миофибриллы на участках, где происходит вза­имное наложение актиновых и миозиповых нитей. При этом осво­бождаются ионы Са++:

Получив тем или иным путем энергию АТФ, сократительные белки образуют богатый энергией актомиозиновый комплекс, спо­собный произвести работу по сокращению.

За сокращением спайки следует ее разрыв, в котором также участвует АТФ, но она не расщепляется, а вновь образует фер­мент — субстратный комплекс с миозином:Ионы кальция связываются с тропонином, который теряет заряд и освобождает активные центры актиновых нитей.

Прекращение электростатического отталкивания тонких и толстых протофибрилл делает при участии Са⁺⁺ возможным возник­новение спайки между актином и миозином. Мg-АТФ~², образо­вавшая в расслабленной мышце фермент-субстратный комплекс с миозином, в присутствии Са⁺⁺ взаимодействует с центром фермен­тативной активности миозина и расщепляется. Освободившаяся энергия используется для сокращения спайки.

Для объяснения механизма передачи энергии молекулам сокра­тительных белков было предложено несколько вариантов схем про­текания химических реакций. Одни исследователи считают, что передача энергии с АТФ на актомиозин осуществляется путем об­разования макроэргического миозин-фосфата; другие полагают, что при распаде АТФ фосфат сразу выделяется в свободном состоянии.

Если в этот момент поступает новый нервный импульс, то реак­ции с 1-й по 3-ю повторяются. Если новый импульс не поступает, происходит расслабление мышцы. Один из белков сарколеммы действует как фермент холинэстераза, расщепляя ацетилхолин. Исчезновение ацетилхолина приводит к восстановлению на сарко­лемме и мембранах 5^ исходного распределения ионов Nа+ и К⁺. При этом механизм кальциевого насоса в пузырьках SR? вновь ста­новится активным. Расщепляя АТФ, он использует ее энергию для связывания ионов Са⁺⁺, а освобожденный от Са⁺⁺ тропонин пре­пятствует замыканию новых спаек:

Возвращение сокращенной мышцы при расслаблении в исход­ное состояние происходит при участии упругих сил, возникших в белках стромы.

Рассмотренные гипотезы мышечного сокращения предполагают, что в момент сокращения происходит только скольжение актино­вых нитей вдоль миозиповых, однако некоторые эксперименталь­ные данные указывают и на укорочение нитей. Это может быть свя­зано с изменением во время сокращения пространственной структуры сократительных белков, например с переходом длинной тонкой а-спирали полипептидных цепей в более короткую и тол­стую (3-спираль.

Когда мышца находится в состоянии покоя, АТФ cоединяется с миозином и препятствует образованию его спаек с актином (пластифицирующий эффект). В момент сокращения мышцы АТФ, рас­щепляясь, освобождает энергию, необходимую для укорочения спайки. Кроме того, расщепление АТФ обеспечивает энергией действие «кальциевого насоса» в пузырьках SR, Расщепление АТФ в мыщце происходит с очень большой скоростью: до 10 микромолей на 1 _г мышцы в

минуту. Так как общие запасы АТФ в мышце невелики (их может хватить только на 0,5—1 с работы с максимальной мощ­ностью), для обеспечения нормальной деятельности мышц АТф должна восстанавливаться с такой же скоростью, с какой она рас­щепляется.