Теория «Скольжения» Р. Девиса и гипотеза «Скользящей модели» (Д. Хэнсон, Х. Хаксли). Биохимические основы сокращение мышц

     При этом во взаимодействии участвует уже  следующий участок активной нити. Если же ионы кальция к этому времени  удалены из саркоплазм, то волокно  расслабляется.

     Модель  Дэвиса получила ряд дополнений и  подверглась модификациям. Бендолл (1970) предполагает, что присоединение ионов кальция в области мостиков приводит к изменению электрического взаимодействия. Нейтрализация отрицательных зарядов и присоединение актина к миозину обусловливают превращение спирали полипептидной цепочки (мостика) молекулы миозина в более беспорядочную, сильно свернутую конформацию но типу перехода «спираль — клубок».

     Такой переход сопровождаемся освобождением  потенциальной (свободной) энергии, запасенном и более упорядоченной структуре  — спирали.

     Эта энергия частично расходуется на тянущее усилие— перемещение нити актина на один шаг, а частично деградирует в тепло. Изменение конформации мостика одновременно вызывает сближение АТФ с АТФ-азным участком миозина, что вызывает гидролиз АТФ.

     Часть освободившейся энергии рассеивается в виде тепла, а часть ее идет на восстановление спиральной конфигурации мостика, который выпрямляется по мере ресинтеза АТФ или поступления новых молекул АТФ извне. Актомиозиновый комплекс распадается и цикл может повториться, если в системе присутствуют ионы кальция.

     При отсутствии в системе молекул  АТФ она будет находиться в  состоянии окоченения — молекулы актина будут оставаться присоединенными  к связывающим центрам миозина.

     При очень сильных мышечных сокращениях отмечается не только продвижение актиновых нитей, но и укорочение саркомеров в целом. 

 

       II. БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОКРАЩЕНИЯ МЫШЦ

        Для того, чтобы понять механизм  и биохимические процессы происходящие  в сокращающихся мышцах, необходимо  заглянуть в строение мышечного  волокна. Структурной единицей  мышечного волокна являются Миофибриллы – особым образом организованные пучки белков, располагающиеся вдоль клетки. Миофибриллы в свою очередь построены из белковых нитей (филаментов) двух типов – толстых и тонких. Основным белком толстых нитей является миозин, а тонких – актин. Миозиновые и актиновые нити – главный компонент всех сократительных систем в организме. Электронно-микроскопическое изучение показало строго упорядоченное расположение миозиновых и актиновых нитей в миофибрилле. Функциональной единицей миофибриллы является саркомер – участок миофибриллы между двумя Z-пластинками. Саркомер включает в себя пучок миозиновых нитей, серединой сцепленных по так называемой М-пластине, и проходящих между ними волокон актиновых нитей, которые в свою очередь прикреплены к Z-пластинам. 

      Рис.1 

      Сокращение  происходит путем скольжения тонких актиновых и толстых миозиновых нитей навстречу друг другу или  вдвигания актиновых нитей между  миозиновыми в направлении М-линии. Максимальное укорочение достигается  тогда, когда Z-пластинки, к которым прикреплены актиновые нити, приближаются к концам миозиновых нитей. При сокращении саркомер укорачивается на 25-50 %.

      Саркоплазма, вмещающая миофибриллы, пронизана  между ними сетью цистерн и  трубочек эндоплазматического ретикулума, а также системой поперечных трубочек, которые тесно контактируют с ним, но не сообщаются.

      Строение  миозиновых нитей.

 Миозиновые  нити образованы белком миозином, молекула которого содержит две идентичные тяжелые  полипептидные цепи с молекулярной массой около 200 000 и четыре легкие цепи (около 20 000). Каждая тяжелая цепь на большей части своей длины имеет конформацию a-спирали, и обе тяжелые цепи скручены между собой, образуя часть молекулы в форме палочки. С противоположных концов каждой цепи присоединены по две легкие цепи, вместе с глобулярной формой этих концов цепи они образуют «головки» молекул. Палочкообразные концы молекул могут соединяться друг с другом продольно, образуя пучки, головки  молекул при этом располагаются кнаружи от пучка по спирали. Кроме того, в области М-линии пучки соединяются между собой «хвост в хвост». Каждая миозиновая нить содержит около 400 молекул миозина. 

                    Рис. 2                                                                     Рис.3 

      Строение  актиновых нитей.

      В состав актиновых нитей входят белки  актин, тропомиозин и тропонин. Основу составляют молекулы актина. Сам белок  актин – глобулярный белок  с молекулярной массой 43 000 и шарообразной формой молекулы. Нековалентно соединяясь, глобулярный актин образует фибриллярный актин, напоминая по форме две скрученные между собой нитки бус.

      Другой  белок, входящий в актиновые нити – тропомиозин – имеет форму  палочек, он располагается вблизи желобков спиральной ленты фибриллярного  актина, вдоль нее. Размер его в длину в 8 раз больше размера глобулярного актина, потому одна молекула тропомиозина контактирует сразу с семью молекулами актина и концами связаны друг с другом, образуя третью продольную спирально закрученную цепочку.

      Третий  белок актиновых нитей – тропонин – состоит из трех разных субъединиц и имеет глобулярную форму. Он нековалентно связан и с актином и тропомиозином таким образом, что на одну молекулу тропонина приходится одна молекула тропомиозина, кроме того одна из его субъединиц содержит Ca-связывающие центры. Тонкие актиновые нити прикреплены к Z-пластинам, тоже белковым структурам.

      Механизм  сокращения мышцы.

            Сокращение мышц есть результат укорочения каждого  саркомера, максимальное укорочение саркомера  достигается тогда, когда Z-пластинки, к которым прикреплены актиновые нити, приближаются вплотную к  концам миозиновых нитей.

            В сокращении мышц у  актиновых и миозиновых нитей  свои роли: миозиновые нити содержат активный центр для гидролиза АТФ, устройство для превращения энергии АТФ  в механическую энергию, устройство для сцепления с актиновыми нитями и устройства для восприятия регуляторных сигналов со стороны актиновых нитей, актиновые нити имеют механизм сцепления с миозиновыми нитями и механизм регуляции сокращения и расслабления.

      Сокращение  мышцы включается потенциалом действия нервного волокна, который через нервно-мышечный синапс при посредстве медиатора трансформируется  в потенциал действия сарколеммы и трубочек Т-системы. Ответвления трубочек окружают каждую миофибриллу и контактируют с цистернами саркоплазматического ретикулума. В цистернах в значительной концентрации содержится Ca. Потенциал действия, поступающий по трубочкам, вызывает высвобождение ионов Ca2+  из цистерн саркоплазматического ретикулума. Ионы Ca2+  присоединяются к Сa-связывающей субъединице тропонина. В присутствии ионов Ca2+  на мономерах актиновых нитей открываются центры связывания миозиновых головок, причем по всей системе тропонин – тропомиозин – актин. Как результат этих изменений – миозиновая головка присоединяется к ближайшему мономеру актина.

      Головки миозина обладают высоким сродством  к АТФ, так что в мышце большинство  головок содержит связанный АТФ. Присоединение головки миозина  к актину, активирует АТФ-азный центр, АТФ гидролизуется, АДФ и фосфат покидают активный центр, что приводит к изменению конформации миозина: возникает дополнительное напряжение, стремящееся уменьшить угол между головкой и хвостом молекулы миозина, т.е. наклонить головку в направлении М-линии. Поскольку миозиновая головка соединена с актиновой нитью, то, наклоняясь в сторону М-линии она смещает в этом же направлении и актиновую нить.

      АДФ, высвобождаемые с множества головок  проходят следующую трансформацию:

      2 АДФ  ® АТФ + АМФ

      Освобожденные от АТФ головки снова притягивают  к себе АТФ в связи с его высоким сродство, о чем уже упоминалось выше, присоединение АТФ уменьшает сродство миозиновой головки с актиновыми нитями и миозин возвращается в исходное состояние. Далее повторяется весь цикл с самого начала, но поскольку в предыдущем цикле актиновая нить за счет своего движения приблизила Z-пластинку, то та же самая головка миозина присоединяется уже к другому мономеру актина ближе к Z-пластинке.

      Сотни миозиновых головок каждой миозиновой нити работают одновременно, втягивая таким образом актиновую нить. 

      Источники энергии мышечного сокращения. 

      Скелетная мышца, работающая с максимальной интенсивностью, потребляет в сотни раз больше энергии, чем покоящаяся, причем переход  от состояния покоя к состоянию  максимальной работы происходит за доли секунды. В связи с этим у мышц совсем по-другому построен механизм изменения скорости синтеза АТФ в очень широких пределах.

      Как уже упоминалось при мышечном сокращении большое значение имеет  процесс синтеза АТФ из АДФ, высвобождаемых из миозиновых головок. Это происходит при помощи, имеющегося в мышцах высокоэнергетического вещества креатинфосфата, которое образуется из креатина и АТФ при действии креатинкиназы: 

      NH     NH

       II      II

       C-NH2      C-NH-PO3H2

        I       I

       N-CH3+АТФ  ó   N-CH3   + АДФ

        I       I

      CH2     CH2

        I       I

      COOH     COOH 

      Креатин    Креатинфосфат 

      Эта реакция легко обратима  и идет анаэробно, что обеспечивает быстрое  включение мышц в работу на ранних этапах. При продолжении нагрузки роль такого энергетического обеспечения  снижается, а на его замену приходят гликогеновые механизмы обеспечения большим количеством АТФ.

 

       Список использованной литературы

      1.   Гистология. Под редакцией Ю.И.  Афанасьевой, Н.А. Юриной. М.: «Медицина», 1999 г.

      2.   Р. Эккерт, Д. Рендел, Дж. Огастин  «Физиология животных» – 1 т. М.: «Мир», 1981 г.

      3.   К.П. Рябов «Гистология с основами  эмбриологии» Минск: «Высшая школа», 1990 г.

      4.   Гистология. Под редакцией Улумбекова, проф. Ю.А. Челышева. М.: 1998 г.

      5.   Гистология. Под редакцией В.Г.  Елисеева. М.: «Медицина», 1983 г.

      6. Основы физиологии человека (в 2-х томах). Под ред. Б.И.Ткаченко. СПб., 2004.

      7. А. Ленинджер «Основы биохимии», М., 1985