Современные представления о механизме мышечного сокращения

Механизм мышечного сокращения в настоящее время объясняют с позиции теории скольжения нитей. Согласно данной теории, укорочение саркомера, а следовательно и мышечного волокна происходит благодаря активному скольжению тонких актиновых нитей относительно толстых миозиновых нитей. Укорочение заканчивается, когда актиновые филаменты глубоко втягиваются по направлению к центру А-диска. При расслаблении или растяжении мышцы область взаимного перекрывания тонких и толстых филаментов сужается. Скольжение филаментов друг относительно друга происходит под действием силы, которая возникает в результате активности миозиновых поперечных мостиков. Во время сокращения они смыкаются, связываются с помощью находящейся на конце мостика миозиновой головки с определенными участками на актиновых филаментах так называемыми центрами связывания. Первоначально миозиновая головка связывается с первым из них – центром М₁. Далее за счет вращения или колебания миозиновой головки она последовательно присоединяется к центрам связывания М2, М3, М4на волокне актина, что приводит к натяжению (растягиванию) поперечного мостика. Это усилие передается толстому миозиновому волокну и в результате возникает взаимное скольжение нитей, сопровождающееся убыванием напряжения, возникающего при растяжении поперечного мостика. После этого миозиновая головка отходит от актинового филамента и возвращается в раслабленное положение, но это происходит только в том случае, если с активным АТФ-азным центром, расположенным в миозиновой головке, свяжется молекула АТФ, или точнее Mg2+-АТФ. Связавшаяся с активным центром молекула АТФ гидролизуется, и выделяющаяся при этом энергия затрачивается на перевод миозиновой головки в исходное конформационное состояние в котором она вновь способна связываться с актиновым филаментом но уже в другом, расположенном ближе к Z-пластинке месте (примерно на 20 нм) и процесс повторяется вновь. Частота колебательных движений поперечных мостиков составляет 5-50 в секунду. Для того чтобы поддерживать активное сокращение поперечные мостики работают асинхронно, т.е. в любой момент времени часть из них прикреплена к актину, тогда как другие отсоединены. Циклическая активность поперечных мостиков, т.е. ритмичные прикрепления и отсоединения мостиков, которые обеспечивают мышечное сокращение возможно только до тех пор пока продолжается гидролиз АТФ. После смерти содержание АТФ в мышечных клетках снижается и поперечные мостики оказываются прочно прикрепленными к актиновым нитям (пока не произойдет аутолиз). Этим объясняется механизм трупного окоченения.

Рассмотренный молекулярный механизм сокращения мышечных волокон включается лишь тогда, когда мышца получает сигнал от иннервирующей ее нервной клетки. Нервные клетки иннервирующие мышечные волокна называются моторные нейроны или мотонейроны. Нервный импульс (ПД), распространяясь до окончания аксона мотонейрона, вызывает высвобождение нейромедиатора ацетилхолина в синаптическую щель. На постсинаптической мембране нервно-мышечного синапса в результате взаимодействия ацетилхолина с н-холинорецептором происходит открывание катионных каналов, через которые течет натриевый ток деполяризующий постсинаптическую мембрану. При достижении порогового уровня деполяризации на плазматической мембране мышечной клетки возникает ПД. ПД распространяется по мышечному волокну и Т-системе до цистерн саркоплазматического ретикулума, прилежащих к каждому отдельному саркомеру. Электрическое возбуждение Т-трубочек приводит к открытию в мембране цистерн саркоплазматического ретикулума кальциевых каналов, и ионы Са²⁺, концентрация которых в ретикулуме очень высокая, выходят в цитозоль где находятся миофибриллы. Именно этот внезапный подъем концентрации свободных ионов кальция в цитозоле от значения 10^{-7 М и ниже (в покое) до 10-6} и более (в активном состоянии) вызывает их сокращение. Так как время прохождения сигнала от плазматической мембраны через Т-трубочки и саркоплазматический ретикулум до каждого саркомера измеряется миллисекундами, сокращение всех миофибрилл в клетке происходит практически одновременно. Повышение концентрации Са²⁺ в цитозоле кратковременно, поскольку ионы кальция быстро перекачиваются обратно в цистерны СР Са²⁺-АТФ-азой, содержащейся в большом количестве в мембранах СР. Обычно возвращение концентрации ионов кальция в цитозоле к уровню контроля происходит за 30 мс, что приводит к расслаблению миофибрил.

Каким же образом ионы кальция управляют процессом сокращения саркомеров и поперечнопалосатой мышцы в целом? Оказывается роль ионов кальция всецело определяется наличием специализированных вспомогательных белков, тесно связанных с актиновыми филаментами. Один из таких белков, названный тропомиозином - жесткая стержневидная молекула, связывающаяся с актиновым филаментом по всей его длине и придающая ему жесткость. Другой важнейший вспомогательный белок, участвующий в регулировании мышечного сокращения ионами кальция, это тропонин. Он представляет собой комплекс из трех полипептидов - тропонинов T, I и C. Тропонин Т связывается с тропомиозином (отсюда название) и определяет положение всего комплекса на тонком филаменте. Тропонин I отвечает за способность ингибировать присоединение миозиновых поперечных мостиков к актиновому филаменту, создавая стерическое припятствие для такого взаимодействия. Тропонин С является центром связывания ионов Са²⁺.

В отсутствие ионов кальция, т.е. в покоящейся мышце, тропониновый комлекс размещен так, что тропомиозин и тропонин I препятствуют прикреплению головки поперечных мостиков к миозинсвязывающим центрам актина. Повышение концентрации Са²⁺ в цитозоле приводит к его связыванию с тропонином С. В результате этого меняется конформация всего комплекса, происходит смещение молекула тропонина I, открывающее миозинсвязывающий центр и дающее возможность поперечному мостику соединится с актином. Возможность для соединения поперечного мостика с актином существует до тех пор пока ионы кальция не будут удалены из тропонинового комплекса. Одиночный ПД вызывает повышение концентрации Са²⁺ всего на 30 мс, и этого времени достаточно только для однократного взаимодействия миозиновых головок поперечных мостиков с актином. В этом случае, развивается минимальная мышечная сила. Если потенциалы действия в мышечном волокне возникают с интервалами менее 30 мс, то ионы кальция не успевают быть выведены из цитоплазмы и количество взаимодействий миозиновых головок поперечных мостиков с актиновыми филаментами может быть максимальным. Очевидно, что в этом случае мышца развивает максимальную силу.

Гладкие мышцы

Гладкомышечные клетки имеют веретеновидную форму, их длина примерно 50-400 мкм, а толщина 2-10 мкм. Соединенные друг с другом с помощью десмосом и, в большинстве случаев, щелевых контактов, гладкомышечные клетки образуют клеточную сеть. Актиновые и миозиновые волокна в этих клетках расположены нерегулярно и поэтому они лишены поперечной исчерченности. Гладкомышечные клетки так же сокращаются за счет скольжения миофиламентов друг относительно друга, но скорости скольжения и расщепления АТФ здесь в 100-1000 раз ниже, чем в поперечнополосатых мышцах. Сократительное напряжение на единицу площади поперечного сечения мышцы одинаково в гладких и скелетных мышцах (30-40 Н/см²), и при длительном напряжении они могут удержать одинаковую нагрузку. Благодаря тому, что гладкие мышцы затрачивают на единицу мышечного напряжения значительно меньше энергии (в 100 и более раз), эти мышцы особенно хорошо приспособлены для длительного и устойчивого сокращения, не приводящего к утомлению.

Для гладких мышц (таких, как мышцы сосудов, кишечника, матки), а также для некоторых форм немышечной подвижности (изменение формы тромбоцитов) характерен так называемый миозиновый тип регуляции. Миозиновый тип регуляции гладких мышц связан с изменением структуры легких цепей миозина и принципиально отличается от регуляции в поперечно-полосатой мускулатуре, где главная роль принадлежит регуляторным белкам, расположенным на актиновом филаменте. В состав молекулы миозина входят шесть полипептидных цепей - две так называемые тяжелые цепи миозина и четыре легкие цепи миозина (ЛЦМ). Эти цепи прочно ассоциированы друг с другом нековалентными связями и образуют единый ансамбль.

Оказалось, что с миозиновыми филаментами гладких мышц связан специальный фермент. Этот фермент получил название "киназа легких цепей миозина" (КЛЦМ). Киназа легких цепей миозина относится к группе протеинкиназ, ферментов, способных переносить концевой остаток фосфата АТФ на оксигруппы остатков аминокислот серина или треонина белка. В состоянии покоя при низкой концентрации Са²⁺ в цитоплазме киназа легких цепей миозина неактивна. Это связано с тем, что в структуре фермента есть специальный ингибиторный участок. Ингибиторный участок попадает в активный центр фермента и, не давая возможности взаимодействовать с истинным субстратом, полностью блокирует активность фермента.

В цитоплазме гладких мышц есть белок кальмодулин, содержащий в своей структуре четыре Са²⁺-связывающих центра. Связывание Са²⁺ вызывает изменения в структуре кальмодулина. Насыщенный Са²⁺ кальмодулин оказывается способным взаимодействовать с КЛЦМ. Посадка кальмодулина приводит к удалению ингибиторного участка из активного центра, и КЛЦМ активируется. Фермент начинает узнавать свой субстрат и переносит остаток фосфата от АТФ на один (или два) остатка серина, расположенных около N-конца регуляторной легкой цепи миозина. Фосфорилирование регуляторной легкой цепи миозина приводит к значительным изменениям структуры как самой легкой цепи, так, по-видимому, и тяжелой цепи миозина в области ее контакта с легкой цепью. Только после фосфорилирования легкой цепи миозин оказывается способным взаимодействовать с актином и начинается мышечное сокращение. Пока легкие цепи миозина находятся в фосфорилированном состоянии, миозин продолжает осуществлять циклическое протягивание нитей актина. Для того чтобы остановить циклические движения головок, надо удалить остаток фосфата с регуляторной легкой цепи миозина. Этот процесс осуществляется под действием фосфатазы легких цепей миозина. Фосфатаза катализирует удаление остатков фосфата с регуляторной легкой цепи миозина. Дефосфорилированный миозин не способен осуществлять циклические движения своей головкой и подтягивать нити актина. Наступает расслабление.

Лекция 11