Небелковые азотистые экстрактивные вещества

БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ.

Мышечная ткань составляет 40—42% от массы тела. Основная динамическая функция мышц — обеспечить подвижность путем сокращения и последующего расслаб­ления. При сокращении мышц осуществляется работа, связанная с превращением химической энергии в механическую.

Обычно принято различать три типа мышечной ткани: скелетную мускулатуру, сердечную мышцу и гладкую мускулатуру.

Как известно, существует также деление на гладкие и поперечнополосатые мышцы. К поперечнополосатым мышцам, помимо скелетных, относятся также мышцы языка и верхней трети пищевода, внешние мышцы глазного яблока и некоторые! другие. В морфологическом отношении миокард относится к поперечнополосатой мускулатуре, но по ряду других признаков он занимает промежуточное положение между гладкими и поперечнополосатыми мышцами.

МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПОПЕРЕЧНОПОЛОСАТОЙ МЫШЦЫ

Поперечнополосатая мышца состоит из многочисленных удлиненных волокон или мышечных клеток. Двигательные нервы входят в различных точках в мышечное волокно и передают ему электрический импульс, вызывающий сокращение. Мышеч­ное волокно обычно рассматривают как многоядерную клетку гигантских размеров, покрытую эластичной оболочкой — сарколеммой. Диаметр функционально зрелого поперечно-полосатого мышечного волокна обычно составляет от 10 до 100 мкм, а длина волокна часто соответствует длине мышцы.

В каждом мышечном волокне по длине его в полужидкой саркоплазме распо­ложено, нередко в форме пучков, множество нитевидных образований — миофибрилл (обычно толщиной менее 1 мкм), обладающих, как и все волокно в целом, попереч­ной исчерченностью. Поперечнополосатая исчерченность волокна, зависящая от оптиче­ской неоднородности белковых веществ, локализованных во всех миофибриллах на одном уровне, легко выявляется при исследовании волокон скелетных мышц в поля­ризационном или фазово-контрастном микроскопах.

В саркоплазме мышечных волокон обнаруживается и ряд других структур: мито­хондрии, микросомы (рибосомы), трубочки и цистерны саркоплазматической сети, различные вакуоли, глыбки гликогена и включения липидов, играющие роль запасных энергетических материалов, и т. д.

Выделяют также белые и красные мышечные волокна. Белые мышечные волокна отличаются более высоким содержанием миофибрилл и в соответствии с этим способностью к более быстрым сокращениям. В красных волокнах содержание миофибрилл относительно меньше, а саркоплазмы больше. Свое название красные волокна получили благодаря высокому содержанию в них миоглобина. Красные мышечные волокна отличаются более выраженным тоническим характером сокращения. У человека белые и красные волокна встречаются обычно вместе в одной и той же мышце.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОПЕРЕЧНОПОЛОСАТОЙ МЫШЦЫ

В мышечной ткани взрослых животных и человека содержится от 72 до 80% воды. Около 20 — 28% от массы мышцы приходится на долю сухого остатка, глав­ным образом белков. Помимо белков, в состав сухого остатка входят гликоген и другие углеводы, различные липиды, экстрактивные азотсодержащие вещества, соли органических и неорганических кислот и другие химические соединения.

Таблица Химический состав поперечнополосатых мышц млекопитающих (средние значения)

Мышечные белки

Белки мышечной ткани делят на три основные группы: саркоплазматиче белки, миофибриллярные белки, белки стромы. На долю первых приходится 35 %, вторых — 45 % и третьих - 20 % всего мышечного белка. Эти группы белков резко отличаются друг от друга по растворимости в воде и солевых средах с личной ионной силой. Белки, входящие в состав саркоплазмы, принадлежат к числу протеинов, растворимых в солевых средах с низкой ионной силой. К числу саркоплазм ческих белков относятся также дыхательный пигмент миоглобин и разнообразные: белки-ферменты, локализованные главным образом в митохондриях и катализирующие процессы тканевого дыхания, окислительного фосфорилирования, а также многие стороны азотистого и липидного обменов.

Недавно была открыта группа саркоплазматических белков - парвальбумины, которые способны связывать ионы кальция. Однако их физиологическая роль остается еще неясной.

К группе миофибриллярных белков относятся миозин, актин и а миозин — белки, растворимые в солевых средах с высокой ионной силой, и называемые регуляторные белки: тропомиозин, тропонин, α- и β-актинин, образующие в мышце с актомиозином единый комплекс. Перечисленные миофибриллярные белки тесно связаны с сократительной функцией мышц.

Миозинсоставляет 50—55% от сухой массы миофибрилл. Представление о миозине как о главном белке миофибрилл сложилось в результате работ А. Я. Данилевского, О. Фюрта, Э. Вебера и ряда других исследователей. Однако всеобщее внимание к миозину было привлечено лишь после опубликования работ В. А. Энгельгардта и М. Н. Любимовой (1939—1942), в которых впервые было показано, что миозин обладает АТФазной активностью, т. е. способностью катализировать расшепление АТФ на АДФ и Н₃РО₄. Химическая энергия АТФ, освобождающаяся в данной ферментативной реакции, превращается в механическую энергию сокращающейся мышцы. Молекулярная масса миозина скелетных мышц около 500000 Да). Молекула миозина имеет сильно вытянутую форму, длину 150 нм. Она может быть расщеплена без разрушения ковалснтных связей на субъединицы: две тяжелые полипептидные цепи с относительной молекулярной массой 205000 — 210000 и несколько коротких легких цепей, относительная масса которых составляет около 20000Да.

2нм

150 нм

Строение молекулы миозина.

Тяжелые цепи образуют длинную закрученную α-спираль («хвост» молекулы), конец каждой тяжелой цепи совместно с легкими цепями создает глобулу («головку» молекулы), способную соединяться с актином. Эти головки выдаются из основного стержня молекулы. Недавно было показано, что легкие цепи, находящиеся в «головке» миозиновой молекулы и принимающие участие в проявлении АТФазной активности миозина, гетерогенны по своему составу. Количество легких цепей в молекуле миозина различных видов животных и в разных типах мышц неодинаково.

Толстые нити (толстые миофиламенты) в саркомере надо понимать как образование полученное путем соединения большого числа определенным образом ориентированных в пространстве молекул миозина.

актин, составляющий ~20% от сухой массы миофибрилл, был открыт Штраубом в 1942 г. Известны две формы актина: глобулярный (Г-актин) и фибриллярный (Ф-актин) актин. Молекула Г-актина с относительной молекулярной массой 42000 состоит из одной полипептидной цепочки, в образовании которой шмают участие 374 аминокислотных остатка. Ф-актин является продуктом полимеризации Г-актина и имеет структуру двухцепочечной спирали. Детали этой структуры еще не вполне выяснены.

Актомиозин образуется при соединении миозина с Ф-актином. Актомиозин, как естественный, так и искусственный, т. е. полученный путем соединения in vitro высоко­ценных препаратов миозина и Ф-актина, обладает АТФазной активностью, однако АТФазная активность актомиозина отличается от АТФазной активности миозина. Фермент актомиозин активируется ионами магния и ингибируется этилендиаминтетраацетатом (ЭДТА) и высокой концентрацией АТФ, тогда как миозиновая АТФ-аза ингибируется ионами Мg^{2 +} , активируется ЭДТА и не ингибируется высокой центрацией АТФ. Оптимальные значения рН для обоих ферментов также различны. Как уже отмечалось, кроме рассмотренных основных белков, в миофибриллах гржатся также трономиозин, тропонин и некоторые другие регуляторные белки.

ТРОПОМИОЗИН был открыт К. Бейли в 1946 г. Молекула тропомиозина состоит из двух α-спиралей и имеет вид стержня длиной 40 нм, его молекулярная масса 65000 Да. На долю тропомиозина приходится около 4-7% всех белков миофибрилл.

Тропонин — глобулярный белок, открытый С. Эбаси в 1963 г., его молекулярная :са 80000 Да. В скелетных мышцах взрослых животных и человека тропонин ) составляет лишь около 2% от всех мйофибриллярных белков. В его состав входят три субъединицы (Тн-1, Тн-С, Тн-Т). Тн-1 (ингибируюший) может ингибировать АТФазную активность, Тн-С (кальцийсвязывающий) обладает значительным сродством к ионам кальция, Тн-Т (тропомиозинсвязывающий) обеспечивает связь с тропомиозином. Тропонин, соединяясь с тропомиозином, образует комплекс, назван­ный нативным тропомиозином. Этот комплекс прикрепляется к актиновым филаментам и придает актомиозину скелетных мышц позвоночных чувствительность к ионам кальция. В последнее время показано, что тропонин (его субъ­единицы Тн-Т и Тн-1) способен фосфорилироваться при участии цАМФ-зависимых протеинкиназ. Вопрос о том, имеет ли отношение фосфорилирование тропонина in vivo к регуляции мышечного сокращения, остается пока открытым.

Белки стромы в поперечнополосатой мускулатуре представлены в основном коллагеном и эластином. Известно, что строма скелетных мышц, остающаяся после исчерпывающей экстракции мышечной кашицы солевыми растворами с высокой ионной силой, состоит в значительной мере из соединительно-тканных элементов стенок сосудов и нервов, а также сарколеммы и некоторых других структур.

Небелковые азотистые экстрактивные вещества

В скелетных мышцах содержится ряд важных азотистых экстрактивных веществ: адениновые нуклеотиды (АТФ, АДФ и АМФ), нуклеотиды неаденинового ряда, креатин-фосфат, креатин, креатинин, карнозин, ансерин, свободные аминокислоты и др. Концентрация адениновых нуклеотидов в скелетной мускулатуре кролика (в микро­молях на 1 г сырой массы ткани) составляет: АТФ-4,43, АДФ-0,81, АМФ - 0,93. Количество нуклеотидов неаденинового ряда (ГТФ, УТФ, ЦТФ и др.) в мышечной ткани по сравнению с концентрацией адениновых нуклеотидов очень мало. На долю креатина и креатинфосфата приходится до 60 % небелкового азота мышц [Фердман Д. Л., 1966]. Креатинфосфат и креатин относятся к тем азотистым экстрактивным веществам мышц, которые участвуют в химических процессах, свя­занных с мышечным сокращением. Синтез креатина в основном происходит в печени, откуда он с током крови поступает в мышечную ткань. Здесь креатин, фосфорилируясь, превра­щается в Креатинфосфат. В синтезе креатина участвуют три аминокислоты: аргинин, глицин и метионин .

К числу азотистых веществ мышечной ткани принадлежат и имидазолсодержащие дипептиды - карнозин и ансерин. Карнозин был открыт В. С. Гулевичем в 1900 г.; метилированное производное карнозина - ансерин был обнаружен в мышеч­ной ткани несколько позже.

N---- г—СН₂-СН-СООН

NН

I О=С-СН₂-

СН₂-NН₂

Kарнозин (β-алакцл-L_-гистидин)

Карнозин и ансерин — специфические азотистые вещества скелетной мускулатупы, позвоночных — увеличивают амплитуду мышечного сокращения, предварительно сни­женную утомлением. Работами акад. С. Е. Северина показано, что имидазолсо-держащие дипептиды не влияют непосредственно на сократительный аппарат, _Но увеличивают эффективность работы ионных насосов мышечной клетки.

Среди свободных аминокислот в мышцах наиболее высокую концентрацию имеет глутаминовая кислота (до 1,2 г/кг) и ее амид — глутамин (0,8—1,0 г/кг). В состав различных клеточных мембран мышечной ткани входит ряд фосфоглицеридов: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и др. Кроме того, фосфо-глицериды принимают участие в обменных процессах, в частности, в качестве субстратов тканевого дыхания. Другие азотсодержащие вещества: мочевина, мочевая кислота, аденин, гуанин, ксантин и гипоксантин — встречаются в мышечной ткани в неболь­шом количестве и, как правило, являются либо промежуточными, либо конечными продуктами азотистого обмена,

Безазотистые вещества

Одним из основных представителей безазотистых органических веществ мы­шечной ткани является гликоген; его концентрация колеблется от 0,3 до 2% и выше. На долю других представителей углеводов приходятся десятые и сотые доли про­цента. В мышцах находят лишь следы свободной глюкозы и очень мало гексо-зофосфатов. В процессе метаболизма глюкозы, а также аминокислот в мышечной ткани образуются молочная, пировиноградная кислоты и много других карбоновых кислот. В мышечной ткани обнаруживаются также в том или ином количестве триглицериды и холестерин.

Состав неорганических солей в мышцах разнообразен. Среди катионов наиболь­шую концентрацию имеют калий и натрий. Калий сосредоточен главным образом внутри мышечных волокон, а натрий — преимущественно в межклеточном веществе. Значительно меньше в мышцах магния, кальция и железа. В мышечной ткани содержится ряд микроэлементов: кобальт, алюминий, никель, бор, цинк и др.

Имеется определенная зависимость между характером деятельности мыщц и содержанием фосфоглицеридов. Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче фосфо-глицеридами, при окислении которых, по-видимому, вырабатывается значительная часть энергии, необходимой для его сокращения.