Реакция мышц на пассивное растяжение

Если скелетную мышцу растягивать, то в ней возрастает напряжение, как в любой элас­тической структуре. Чем больше растяжение, тем выше это напряжение. У гладких мышц ситуация иная — в ответ на растяжение первоначально напряжение в мышце действитель­но возрастает, но затем (достаточно быстро, например, через 30—60 с) напряжение спон­танно снижается почти до исходного уровня.

Таким образом, гладкая мышца ведет себя как пластическая или вязко-эластическая струк­тура. Это свойство названо пластичностью. Если бы его не было, то мышечная стенка по­лых органов не смогла бы выполнять функцию резервуара. Например, при накоплении мочи в мочевом пузыре давление в нем, несмотря на то, что вместимость мочевого пузыря огра­ничена, не возрастает, т. к. гладкие мышцы стенки пузыря при таком растяжении постепен­но снижают свой базальный тонус.

СИЛА МЫШЦ

Удельная сила мышц, скелетных и гладких (в расчете на 1 см² площади поперечного сечения), почти одинакова и, в среднем, составляет Л—3 кгс или 40—30 Шсм².

Сила скелетной мышцы зависит от многих факторов. Например, от числа двигательных единиц (ДЕ), возбуждаемых в данный момент времени. Так, если мышца представлена 10 ДЕ, а в данный момент активна 1 ДЕ, то мышца способна развить силу, равную 1/10 от ее максимальной силы. Если 5 ДЕ активны, то соответственно, мышца развивает 50% от мак­симума и т. д., а 100% силы она разовьет в том случае, если все 10 ДЕ одновременно будут возбуждены.

Сила зависит от синхронности работы ДЕ. Так, если все 10 ДЕ начнут одновременно возбуждаться, то сила будет, например, 4 кгс/см², а если они возбуждаются асинхронно, то максимальная сила составит 3 кгс/см².

Сила мышц зависит от той частоты, с которой бегут потенциалы действия (ПД) по дан­ным аксонам к соответствующим мышечным волокнам. Например, если альфа-мотоней­рон генерирует за ! секунду 20 ПД, то сила мышц будет равна 2 кгс/см², а если 50 имп/с — 4 кгс/см² (согласно явлению оптимума частоты раздражения, о чем говорилось выше).

Сила мышцы (напряжение, развиваемое в момент ее сокращения) зависит от исходной длины. Существует некоторая средняя величина JIq (это длина мышцы при покое в услови­ях целостного организма), при которой мышца развивает максимальное сокращение. Если длина будет меньше Л^ или, наоборот, больше Ло (перерастянута), то сила, развиваемая мышцей в момент ее возбуждения, будет значительно меньше. Оказалось, что максималь­ная сила развивается мышцей в том случае, когда длина саркомера составляет 2,2—2,5 мкм. Зависимость силы мышцы от ее длины очень важна — особенно для сердечной мышцы (закон Франка-Старлинга) в практическом и теоретическом отношениях (она доказывает гипотезу скольжения протофибрилл, объясняющую механизм сокращения).

Сила гладких мышц тоже зависит от исходной длины: существует оптимальная длина мышцы, при которой мышца развивает максимальную для нее силу. Это важный механизм саморегуляции активности гладкой мышцы. Максимальная сила гладких мышц тоже зави­сит от синхронности возбуждения всех ГМК, составляющих сократительный аппарат дан­ной мышцы, от числа ГМК, вовлекаемых при действии раздражителя в акт сокращения, а также от величины входа ионов кальция внутрь каждой ГМК, который происходит при дей­ствии на ГМК веществ-стимуляторов.

МЕХАНИЗМ СОКРАЩЕНИЯ

Сократительный аппарат скелетной мышяы представлен миофибриллами, в которых упакованы протофибриллы — толстые и тонкие нити (филаменты). На всем протяжении миофибриллы разделены на отдельные отсеки (саркомеры), длина которых составляет в среднем 2,5 мкм. Они ограничены Z-мембранами. Эти мембраны служат для крепления актяновых нитей. В центре саркомера расположены толстые (миозиновые) нити. Они обра­зуют А-диск (анизотропный). Для скрепления толстых нитей имеется мембрана М, которая расположена в центре саркомера. Длина А-диска 1,6 мкм. На уровне Z-мембран к каждому саркомеру спускается поперечная трубочка (Т-трубочка), совокупность которых названа Т-системой. Эти трубочки подходят близко (но не вплотную, щель — 10—20 им) к терми­нальным цистернам саркоплазматического ретикулюма. СаркоплазматическиЙ ретикулюм (СР) представлен терминальными цистернами (около Z-мембран) и продольными трубоч­ками. СР содержит ионы кальция примерно в концентрации 10 - мМ, чего в принципе доста­точно лишь для 5—6 сокращений. В момент генерации потенциала действия (ПД) происхо­дит распространение ПД вдоль продольной плазматической мембраны, деполяризация пе­редается на Т-трубочку, которая контактирует с терминальной цистерной. В результате открываются кальциевые каналы, по которым кальций входит в межфибриллярное прост­ранство миофибриллы, что приводит к инициации сокращения. Потом мембраны продоль­ных трубочек СР начинают активно откачивать ионы кальция назад в СР, и его концентра­ция в межфибриллярном Пространстве уменьшается, что приводит к расслаблению. В це­лом, описанное явление получило название электромеханическое сопряжение (ЭМС), или электромеханический каплинг.

Существуют экспериментальные способы разобщения ЭМС, например, портняжную мышцу выдерживают 3—4 часа в растворе 400 ммоль/л глицерина, а затем ее помещают в обычный раствор Рингера. В ней «отрываются» Т-трубочки, и такая мышца «прекрасно» генерирует ПД в ответ на раздражение, но не сокращается. Кофеин, кстати, вызывает высвобождение кальция, минуя эту систему сопряжения. В настоящее время в практике используется миорелаксант типа дантрилена, который разобщает обратимо ЭМС и, тем самым, вызывает миорелаксирующий эффект. Было показано, что утомление изолиро­ванной мышцы может наступать в результате разобщения ЭМС. Недавно было отмече­но, что утомление вызывается тем, что кальций перестает выходить из терминальных цистерн СР.

Относительно механизма, с помощью которого происходят передача деполяризации с Т-трубочки на терминальные цистерны (своеобразный внутриклеамшый синапс), сущест-

вуют разные точки зрения. Во-первых, в щелях между Т-трубочкой и терминальными цис­тернами обнаружены мостики-каналы (шириной до 15 нм), которые, возможно, представля­ют собой «затычку» для кальциевых каналов. Полагают, что деполяризация убирает «за­тычку» и тем самым повышает проницаемость кальциевых каналов терминальной цистер­ны. Это так называемая механическая гипотеза. Согласно электрической гипотезе, деполя­ризация сама по себе настолько сильна в Т-трубочках, что этого достаточно для открытия потенциал зависимых кальциевых каналов терминальной цистерны. По химической гипоте­зе, между деполяризацией в Т-трубочках и открытием кальциевых каналов терминальной цистерны имеется посредник — это ионы кальция или инозитол-трифосфат. Кстати, недав­но обнаружено, что в Т-трубочках действительно есть свои собственные кальциевые кана­лы, которые могут при определен­ных условиях породить кальциевые ПД. Возможно, эти самые каналы впускают ионы кальция к терминаль­ной цистерне, а эти ионы как затрав­ка открывают собственные кальцие­вые каналы мембраны терминальной цистерны.

Рис. 7. Механизм сокращениямиофибриллы. В основе него лежит сокращение нитей актина (А) и миозина (М), Этапы: а) выход Са из ретикулюма; б) взаимодей­ствие с тропонин-тропомиозином, освобождение активных точек на нитях актина, формирование -мостиков»; в) сближение нитей актина миозино-выми мостиками.

Вошедшие в межфибриллярное пространство ионы кальция иници­ируют сокращение. Это происходит в результате того, что кальций соеди­няется с одной из 3 субъединиц (кальций-связующая субъединица) молекулы тропонина, которая распо­лагается с интервалом в 40 нм на ак-тиновой нити. В условиях покоя эта молекула тропонина создает условия для того, чтобы фибриллярная моле­кула тропомиозина, находящаяся на актиновой нити, не давала миозино-вому мостику контактировать с ак­тином (в условиях покоя мостик не может соединиться с актиновой ни­тью, т. к. ему мешает тропомиозин). Когда же кальций соединится с тро-понином, то происходят конформа-ционные изменения в другой субъе­динице тропонина (ингибирующая субъединица), в результате чего нить тропомиозина продвигается в глуби­ну бороздки и освобождает места на актиновой нити для связывания с ми­озином. Описанная система получи­ла название актин-связующая регу­ляция. Тропонин и тропомиозин на­зываются регулирующими белками, т. к. они регулируют состояние в саркомере актиновых и миозиновых нитей.

Сокращение происходит, соглас­но распространенной модели А.

Хаксли (модель скольжения или, как сейчас называют — «модель скользящий филамент — вращающийся мостик» — А. Хаксли, Симмонс, 1971), за счет скольжения актнновых нитей в промежутках между миозиновыми. Этот процесс осуществляется поперечными мостиками миозина. Поперечные мостики представляют собой головы миозина (миозин состоит из 2 субъединиц — легкий меромиозин — хвост миозиновой нити и тяжелый меромиозин). Тяжелый меромиозин заканчивается субъединицей С-1 — головкой мио­зиновой молекулы. Головка соединена с телом миозиновой нити с помощью субфраг­мента С-2 (шейка), который может изгибаться. Головка обладает АТФ-азной активнос­тью, которая проявляется, однако, в присутствии актина, когда головка будет непосред­ственно прикреплена к актиновой нити.

В условиях покоя мостик (головка) не прикреплен к актиновой нити — мешает тропо-миозин. На кончике мостика находится молекула АТФ. Когда появляется кальций и отодви­гается тропомиозин от актиновой. нити (снимается экранировка), мостик под углом 90° цеп­ляется к актиновой нити. Тут же происходит активация АТФ-азной активности и как следст­вие — гидролиз АТФ с выделением порции энергии. Эта энергия используется для того, чтобы создать крутящий момент («гребок»), в результате которого мостик проталкивает актиновую нить примерно на 10 нм (это меньше 1% длины саркомера). Если рядом с мости­ком имеется свободная молекула АТФ, то она встраивается на вершину мостика и обеспе­чивает отрыв мостика от актиновой нити. Если в среде много кальция, то актиновая моле­кула по-прежнему свободна от экрана (от тропомиозина), и потому мостик вновь прикреп­ляется к нити, но уже в другом месте, и вновь повторяется цикл. За период укорочения (напряжения) мостик успевает совершить 50 циклов («гребков»), в результате чего длина саркомера уменьшается примерно на 50%. Если уровень кальция снижается (в результате активности кальциевого насоса и прекращения выхода кальция из терминальной цистер­ны), то наступает процесс расслабления (удлинения). В случае, когда АТФ исчерпана, на­ступает ритор мышцы — нет расцепления между актиновой и миозиновой нитями. Это имеет место, например, при трупном окоченении.

В скелетных мышцах запас АТФ невелик — всего на 10 одиночных сокращений. Поэто­му необходим постоянный ресинтез АТФ. Существуют три пути. 1) Ресинтез АТФ за счет креатинфосфата (КФ), запасы которого ограничены. Реакция идет очень быстро, поэтому можно за несколько секунд совершить огромную работу, что и делается, например, сприн­тером или штангистом, когда он совершает рывок. Но ограниченность запасов приводит к тому, что ресинтез АТФ в анаэробных условиях долго идти не может. 2) Гликолитичес-кий путь ресинтеза: он связан.с анаэробным расщеплением глюкозы до молочной кисло­ты. В результате образуется 2 моля АТФ на 1 моль глюкозы. Этот путь тоже достаточно мощный, идет быстро, но из-за того, что молочная кислота, которая при этом накапливает­ся, тормозит активность гликолитических ферментов, его возможности тоже ограничены. Обычно этот вид ресинтеза АТФ совершается в пределах 20—120 секунд. Поэтому он ис­пользуется при беге на средние дистанции (например, 200,400,800 м). Замечено, что этот вид ресинтеза всегда имеет место в начале всякой двигательной активности, пока кровооб­ращение в работающей мышце не станет адекватным для проведения 3-го типа ресинтеза АТФ. 3) Это аэробное окисление глюкозы и жирных кислот в цикле Кребса. Он совершает­ся в митохондриях. В среднем на 1 моль глюкозы образуется около 38 моль АТФ, при окис­лении 1 моля жирной кислоты — около 128 моль АТФ. Этот процесс очень экономный, однако для получения таким образом энергии требуется больше времени, чем при первых двух способах. Поэтому 3-й путь ресинтеза используется во всех случаях, где мощность работы невысокая. В обыденной жизни именно этот путь наиболее широко эксплуатирует­ся нашими мышцами. А запасы углеводов (гликоген, свободная глюкоза) и жиров (источ­ник жирных кислот) достаточно велики. Например, за счет окисления только гликогена человек может непрерывно пробежать 15 км пути; запасов жиров так много, что их хватит на несколько недель непрерывной работы.