Роль кальция при мышечном сокращении
Выполнил студент группы СИМ-21
Нагайцев Р.Д.
Роль кальция при мышечном сокращении
Мы́шечное сокраще́ние — реакция мышечных клеток на воздействие нейромедиатора, реже гормона, проявляющаяся в уменьшении длины клетки. Эта жизненно важная функция организма, связанная с оборонительными, дыхательными, пищевыми, половыми, выделительными и другими физиологическими процессами.
Основой всех типов мышечного сокращения служит взаимодействие актина и миозина. В скелетных мышцах за сокращение отвечают миофибриллы (примерно две трети сухого веса мышц). Миофибриллы — структуры толщиной 1 — 2 мкм, состоящие из саркомеров — структур длиной около 2,5 мкм, состоящих из актиновых и миозиновых (тонких и толстых)филаментов и Z-дисков, соединённых с актиновыми филаментами. Сокращение происходит при увеличении концентрации в цитоплазме ионов Ca 2+ в результате скольжения миозиновых филаментов относительно актиновых. Источником энергии сокращения служит АТФ. КПД мышечной клетки около 50 %.
Самые первые доказательства физиологической роли Са2+ представлены в работах Рингера (1835 – 1910). Автор обнаружил, что изолированное сердце лягушки прекращает сокращения при отсутствии кальция в омывающем растворе. Так появились раствор Рингера и другие физиологические солевые растворы.
Затем проверяли участие Са2+ в регуляции мышечного сокращения путем введения разных катионов внутрь мышечных волокон. Из всех изученных ионов только кальций вызывал сокращение при концентрациях, соизмеримых с концентрациями Са2+ обычно наблюдаемыми в живой ткани.
Впоследствии было обнаружено, что скелетная мышца не сокращается в ответ на деполяризацию мембраны, если исчерпаны запасы кальция во внутренних депо, а подвергнутые предварительной экстракции препараты волокон скелетной мышцы не сокращаются при добавлении АТФ, если отсутствует Са2+.
Количественная зависимость между концентрацией свободного Са2+ в саркоплазме и силой мышечного сокращения была установлена сравнительно недавно. Для проведения анализа удаляли поверхностную мембрану и оголенные миофибриллы обрабатывали растворами кальция различной концентрации.
Сила возрастает от нуля при концентрации кальция около 10-8 М до максимального значения при концентрации кальция около 5 х 10-6 М.
Данная зависимость между силой и концентрацией Са2+ аналогична зависимости между АТФазной активностью (скоростью гидролиза АТФ) гомогенизированных миофибрилл и концентрацией Са2+. Такое совпадение характеристик наводило на мысль, что Са2+ служит кофактором АТФазной активности миозина. Но оказалось, что это не так.
АТФазная активность чистого раствора миозина довольно низкая, но сильно возрастает при добавлении очищенного актина. Это указывает на то, что АТФазный центр миозина активируется при связывании миозина с актином. В интактной мышце активация АТФазного центра миозина осуществляется при присоединении поперечного мостика к активному филаменту. Эксперименты, проведенные в лаборатории Эбаши, показали, что тропонин и тропомиозин, лежащие вдоль актиновой спирали, препятствуют присоединению миозиновых поперечных мостиков к актину. Тропонин – единственный белок в актиновых и миозиновых филаментах поперечнополосатых мышц, имеющий высокое химическое сродство к Са2+. Каждый тропониновый комплекс связывает четыре иона кальция. Тропониновые комплексы расположены вдоль актинового филамента через каждые 40 нм, прикрепляясь одновременно к актиновому филаменту и молекуле тропомиозина. В состоянии покоя положение тропомиозина конформационно препятствует соединению головок миозина с актиновым филаментом. Связывая Са2+, тропонин претерпевает конформационные изменения, в результате чего молекула тропомиозина смещается и освобождает дорогу миозиновым поперечным мостикам для прикрепления к актиновым центрам. Следовательно, присоединение Са2+ к тропонину устраняет постоянно существующее препятствие для взаимодействия поперечных мостиков с актином. Из результатов экспериментов, сделан вывод, что ингибирование присоединения мостиков снимается при концентрации свободного Са2+ свыше 10-7 М.
Сказанное выше объясняет роль Са2+ в регуляции актин-миозинового взаимодействия в скелетных и сердечной мышцах. В большинстве других мышц роль кальция иная. Есть еще по крайней мере два механизма кальцийзависимой регуляции актинмиозинового взаимодействия. В поперечнополосатых мышцах кальций инициирует сокращение, присоединяясь к легким полипептидным цепям миозина в головках поперечных мостиков. В гладких мышцах и в немышечном актомиозине сокращение контролируется кальцийзависимым фосфорилированием миозиновой головки.
Саркоплазматический ретикулум (СР) – это внутриклеточная мембранная система взаимосвязанных уплощенных пузырьков и канальцев, находится в непосредственной близости миофибрилл.
Как только стало известно, что в СР накапливаются ионы кальция, исследователи начали склоняться к мысли о том, что мышечное сокращение инициируется Са 2+ , высвобождаемым в саркоплазму из внутренней среды цистерн СР.
Сокращение активируется кальцием, высвобожденным из СР, а поверхностный электрический сигнал, т.е. ПД, поступает в глубокие области мышечного волокна с помощью Т-трубочек. Более того, Т-трубочки образуют тесные контакты с концевыми цистернами саркоплазматического ретикулума. Но как электрический сигнал из Т-трубочек передается в СР, давая команду к высвобождению Са 2+ в ответ на деполяризацию Т-трубочки, долгое время оставалось загадкой. Сейчас, кажется, на этот важный вопрос можно ответить. Очевидно, что при деполяризации Т-трубочек сигнал доставляется к концевым цистернам СР посредством внутриклеточных молекул-посредников. Недавние исследования, проведенные в Калифорнийском университете, показали, что высвобождение Са 2+ из СР и последующее сокращение одиночного поперечного волокна могут индуцироваться инозитол-1,4,5- трифосфатом (ИФ3). Это внутриклеточная молекула-посредник, образующаяся при разложении связанного с мембраной фосфатидилинозитола, которая, как известно, стимулирует высвобождение Са 2+ из внутриклеточных хранилищ в некоторых тканях. В отношении мышц есть сведения, что вещества, блокирующие образование ИФ3, нарушают сопряжение процессов сокращения волокна и деполяризации мембран. Показано, что такими вещества мешают нормальному высвобождению Са 2+ из СР в ответ на электрическое возбуждение мышцы. И наконец, вещества, блокирующие ферментативное разложение ИФ3, напротив, усиливают эффективность ИФ3, в инициации сокращения мышечного волокна. Такого рода данные послужили поводом для возникновения гипотезы, утверждающей, что деполяризация Т-трубочек вызывает образование ИФ3, а уже затем ИФ3, действует как внутриклеточный посредник, индуцирующий высвобождение Са 2+ из СР.
Согласно этой гипотезе, начальная стадия сопряжения процесса «возбуждение – сокращение» сопровождается распространением возбуждения по поверхности системы Т-трубочек и представляет собой активацию чувствительных к электрическому напряжению ферментов, расположенных на мембране данных трубочек рядом с концевыми цистернами СР. Эти гипотетические ферменты, по-видимому, столь же чувствительны к изменению электрического поля мембраны, как натриевый канал, и реагируют на это изменение конформационным сдвигом. Вызванный деполяризацией мембраны конформационный сдвиг переводит фермент из неактивной формы в активную. И уже этот активный фермент прямо или косвенно определяет образование ИФ3. Затем ИФ3 диффундирует на короткое расстояние и достигает мембраны концевой цистерны СР, где, связавшись с рецептором, заставляет открываться кальциевые каналы. Ионы кальция, скопившиеся в относительно высокой концентрации в просвете СР, продолжают выходить наружу до тех пор, пока не произойдет ферментативное разрушение ИФ3 и каналы не закроются. Потом с помощью активного транспорта высвобожденные из СР ионы кальция возвращаются на прежнее место.
Сокращение мышечного волокна заключается в укорочении миофибрилл в пределах каждого саркомера. Толстые (миозиновые) и тонкие (актиновые) нити, в расслабленном состоянии связанные только концевыми отделами, в момент сокращения осуществляют скользящие движения навстречу друг другу. Выделение необходимой для сокращения энергии происходит в результате превращения АТФ в АДФ под влиянием миозина. Ферментная активность миозина проявляется при условии оптимального содержания Са2+, которые накапливаются в саркоплазматической сети.
источник
Ионы кальция при сокращении гладких мышц
В гладкой мышце, как и в скелетной, сократительный процесс активируется ионами кальция, однако источники этих ионов различны. Различие заключается в том, что саркоплазматический ретикулум, обеспечивающий практически все количество ионов кальция для сокращения скелетной мышцы, в большинстве гладких мышц очень слабо развит.
Вместо этого почти все ионы кальция, вызывающие сокращение, входят в мышечную клетку из внеклеточной жидкости во время потенциала действия или под влиянием другого стимула.
Поскольку концентрация ионов кальция во внеклеточной жидкости выше 10 М, а внутри гладкомышечной клетки — менее 10 М, открытие кальциевых каналов вызывает быструю диффузию ионов кальция в клетку. Время, необходимое для осуществления этой диффузии, в среднем составляет 200-300 мсек. Его называют латентным периодом процесса сокращения. Для гладкой мышцы латентный период примерно в 50 раз больше, чем для скелетной мышцы.
Роль саркоплазматического ретикулума гладкомышечных волокон. На рисунке показаны немногочисленные слаборазвитые трубочки саркоплазматического ретикулума, которые лежат около клеточной мембраны в некоторых более крупных гладкомышечных клетках. К этим трубочкам примыкают небольшие инвагинации клеточной мембраны, называемые кавеолами. Кавеолы представляют собой рудиментарный аналог системы поперечных трубочек скелетной мышцы.
Появление потенциала действия в мембране кавеол, как полагают, ведет к выделению ионов кальция из примыкающих саркоплазматических трубочек так же, как в скелетных мышцах потенциалы действия в области Т-трубочек вызывают выделение ионов кальция из цистерн саркоплазматического ретикулума. В целом, чем больше развит сарко-плазматический ретикулум в волокне гладкой мышцы, тем быстрее оно сокращается.
Влияние на сокращение гладких мышц изменений внеклеточной концентрации ионов кальция. Изменение концентрации ионов кальция во внеклеточной жидкости практически не влияет на силу сокращения скелетных мышц, однако для большинства гладких мышц это не так. При снижении концентрации кальция во внеклеточной жидкости примерно до 1/3-1/10 нормы сокращения гладких мышц обычно прекращаются. Следовательно, сила сокращения гладкой мышцы в высокой степени зависит от концентрации ионов кальция во внеклеточной жидкости.
Для расслабления гладкой мышцы необходим кальциевый насос. Для расслабления гладкой мышцы после ее сокращения необходимо удалить ионы кальция из внутриклеточной жидкости. Это удаление осуществляется с помощью кальциевого насоса, который выкачивает ионы кальция из гладкомышечного волокна назад во внеклеточной жидкости или саркоплазматический ретикулум (при его наличии). По сравнению с быстродействующим насосом саркоплазматического ретикулума скелетной мышцы кальциевый насос гладкомышечного волокна действует медленно.
В связи с этим одиночное сокращение гладкой мышцы часто продолжается в течение секунд, а не сотые или десятые доли секунды, что характерно для скелетной мышцы.
— Вернуться в оглавление раздела «Физиология человека.»
источник
Ионы кальция при сокращении гладких мышц
Одним из специфических свойств саркоплазматического ретикулума является наличие внутри его везикулярных трубочек с высокой концентрацией ионов кальция, множество которых выделяются из каждой везикулы при возникновении потенциала действия в прилежащей Т-трубочке.
На рисунке показано, что потенциал действия Т-трубочки ведет к появлению местных токов, проникающих внутрь цистерн саркоплазматического ретикулума в местах их примыкания к Т-трубочке. Это, в свою очередь, ведет к быстрому открытию большого числа кальциевых каналов в мембранах цистерн и прикрепленных к ним продольных трубочек. Каналы остаются открытыми несколько миллисекунд, в течение которых в саркоплазму, окружающую миофибриллы, выделяется достаточное количество ионов кальция, запускающих сокращение.
Кальциевый насос для удаления ионов кальция из миофибриллярной жидкости после сокращения. После того, как ионы кальция выделились из саркоплазматических трубочек и диффундировали в пространство между миофибриллами, мышечное сокращение продолжается до тех пор, пока сохраняется высокая концентрация ионов кальция. Однако постоянно активный кальциевый насос, расположенный в стенках саркоплазматического ретикулума, удаляет ионы кальция из миофибрилл назад в систему продольных трубочек ретикулума. Этот насос может увеличивать концентрацию ионов кальция внутри трубочек примерно в 10000 раз. Кроме того, внутри ретикулума есть белок кальсеквестрину способный дополнительно связывать в 40 раз больше кальция.
Выброс ионов кальция при возбуждении. В покое нормальная концентрация ионов кальция (менее 10 моль/л) в цитозоле, омывающем миофибриллы, слишком мала для возникновения сокращения. В связи с этим тропонин-тропомиозиновый комплекс продолжает тормозить актиновые нити, поддерживая расслабленное состояние мышцы.
Возбуждение системы Т-трубочек приводит к выделению из саркоплазматического ретикулума достаточного числа ионов кальция и повышению их концентрации в миофибриллярной жидкости до 2×10 моль/л, т.е. в 500 раз, что примерно в 10 раз превышает уровень, необходимый для возникновения максимального мышечного сокращения. Сразу после этого кальциевый насос вновь откачивает ионы кальция. Общая продолжительность этого кальциевого выброса в волокне обычной скелетной мышцы составляет примерно 1/20 сек, хотя в некоторых волокнах она может быть в несколько раз больше, а в других — в несколько раз меньше. (В сердечной мышце кальциевый выброс может продолжаться примерно 1/3 сек в связи с большой длительностью потенциала действия волокон сердечной мышцы.)
Во время кальциевого выброса происходит мышечное сокращение. Для непрерывного сокращения в течение длительного периода времени необходима серия выбросов кальция, происходящих под действием непрерывной серии повторных потенциалов действия.
Теперь обратимся к гладким мышцам, которые состоят из гораздо более мелких волокон, диаметром обычно от 1 до 5 мкм и длиной лишь 20-500 мкм. Волокна скелетных мышц примерно в 30 раз больше в диаметре и в сотни раз длиннее. Многие из основных принципов сокращения применимы как к скелетным, так и к гладким мышцам. Особенно важно, что, по существу, и в скелетных и гладких мышцах сокращение вызывают одни и те же силы притяжения между миозиновыми и актиновыми нитями, но внутренняя анатомическая структура гладкомышечных волокон иная.
Типы гладких мышц
Гладкие мышцы каждого органа отличаются от гладких мышц большинства других органов по нескольким признакам: (1) общим размером; (2) организацией в пучки или пласты; (3) реакцией на разные типы стимулов; (4) особенностями иннервации; (5) функцией. С целью упрощения гладкие мышцы можно в целом разделить на два основных типа: мультиунитарные и унитарные.
Мультиунитарные гладкие мышцы. Мышцы этого типа состоят из отдельных изолированных гладкомышечных волокон. Каждое волокно функционирует независимо от других и часто иннервируется одиночным нервным окончанием, что характерно для скелетномышечных волокон. Более того, наружные поверхности этих волокон, как и волокон скелетных мышц, покрыты тонким слоем подобного основной мембране вещества, представляющего собой мелкодисперсную смесь коллагена и гликопротеинов, помогающих изолировать отдельные волокна друг от друга.
Самая важная особенность мультиунитарных мышечных волокон: каждое из них может сокращаться независимо от других, а регуляция осуществляется главным образом нервными сигналами. И наоборот, большая доля управления унитарной гладкой мышцей осуществляется не нервными сигналами. Примером мультиунитарных гладких мышц могут служить ресничная мышца, мышца радужной оболочки глаза и мышцы, поднимающие волосы при стимуляции симпатической нервной системы.
Унитарные гладкие мышцы. Термин «унитарный» подразумевает массу из сотен и тысяч гладкомышечных волокон, которые сокращаются вместе как единое целое. Волокна обычно организованы в пласты или пучки, и их клеточные мембраны плотно прилежат друг к другу во множестве точек, поэтому сила, развиваемая одним мышечным волокном, может передаваться следующему.
Кроме того, клеточные мембраны соединяются многочисленными щелевыми контактами, через которые ионы могут свободно перетекать из одной мышечной клетки в другую, и потенциалы действия (или просто ионный ток, без потенциалов действия) могут распространяться от одного волокна к следующему, способствуя одновременному сокращению мышечных волокон. Эти гладкие мышцы также называют синцитиальными гладкими мышцами из-за синцитиальных взаимосвязей между волокнами, или висцеральными гладкими мышцами, поскольку они обнаруживаются в стенках большинства внутренних органов тела, включая кишечник, желчные пути, мочеточники, матку и многие кровеносные сосуды.
источник
Ионы кальция при сокращении гладких мышц
Гладкие мышцы содержат актиновые и миозиновые нити, имеющие химические характеристики, подобные актиновым и миозиновым нитям скелетных мышц. Но в гладких мышцах нет тропонинового комплекса, необходимого для запуска сокращения скелетной мышцы, следовательно, механизм инициации сокращения в них другой. Этот механизм подробно обсуждается далее в нашей статье.
Химические исследования показали, что актиновые и миозиновые нити, извлеченные из гладких мышц, взаимодействуют друг с другом во многом так же, как и в скелетной мышце. Более того, процесс сокращения активируется ионами кальция, а энергия для сокращения обеспечивается разрушением АТФ до АДФ.
Существуют, однако, значительные различия в морфологической организации гладких и скелетных мышц, а также в сопряжении возбуждения и сокращения, механизме запуска ионами кальция сократительного процесса, длительности сокращения и количестве энергии, необходимой для сокращения.
Морфологическая основа сокращения гладких мышц
Гладкие мышцы не имеют такой упорядоченной организации актиновых и миозиновых нитей, которая обнаруживается в скелетных мышцах, придавая им «полосатость». С помощью техники электронной микрофотографии выявляется гистологическая организация. Видно большое число актиновых нитей, прикрепленных к так называемым плотным тельцам. Некоторые из этих телец прикрепляются к клеточной мембране, другие распределяются внутри клетки. Некоторые из мембранных плотных телец соседних клеток связываются вместе мостиками из внутриклеточных белков. Через эти мостики в основном передается сила сокращения от одной клетки к другой.
В мышечном волокне среди актиновых нитей разбросаны миозиновые нити. Их диаметр более чем в 2 раза превышает диаметр актиновых нитей. На электронных микрофотографиях актиновых нитей обычно обнаруживают в 5-10 раз больше, чем миозиновых.
На рисунке представлена предполагаемая структура отдельной сократительной единицы внутри гладкомышечной клетки, где видно большое число актиновых нитей, исходящих от двух плотных телец; концы этих нитей перекрывают миозиновую нить, расположенную посередине между плотными тельцами. Эта сократительная единица похожа на сократительную единицу скелетной мышцы, но без специфической регулярности ее структуры. В сущности, плотные тельца гладкой мышцы играют ту же роль, что и Z-диски в скелетной мышце.
Существует и другое различие. Большинство миозиновых нитей имеют поперечные мостики с так называемой боковой полярностью. Мостики организованы следующим образом: на одной стороне они шарнирно фиксируются в одном направлении, а на другой — в противоположном направлении. Это позволяет миозину тянуть актиновую нить с одной стороны в одном направлении, одновременно продвигая с другой стороны другую актиновую нить в противоположном направлении. Такая организация позволяет гладкомышечным клеткам сокращаться с укорочением до 80% их длины вместо укорочения менее чем на 30%, характерного для скелетной мышцы.
Большинство скелетных мышц сокращаются и расслабляются быстро, но сокращения гладких мышц в основном являются длительными тоническими сокращениями, которые иногда продолжаются в течение нескольких часов или даже дней. Следовательно, можно ожидать, что морфологические и химические особенности гладких мышц должны отличаться от соответствующих характеристик скелетных мышц. Далее обсуждаются некоторые из этих отличий.
Медленная циклическая активность миозиновых поперечных мостиков. В гладкой мышце по сравнению соскелетной гораздо меньше скорость циклической активности миозиновых поперечных мостиков, т.е. скорость их прикрепления к актину, отсоединение от актина и повторное прикрепление для осуществления следующего цикла. Фактически частота циклов составляет лишь от 1/10 до 1/300 этого показателя в скелетной мышце. Однако, как считают, в гладкой мышце значительно больше относительное количество времени, в течение которого поперечные мостики остаются прикрепленными к актиновым нитям, что является главным фактором, определяющим силу сокращения. Возможной причиной медленного циклирования является гораздо меньшая по сравнению со скелетной мышцей АТФ-азная активность головок поперечных мостиков, в связи с чем скорость разрушения АТФ — источника энергии для движения головок поперечных мостиков — значительно снижена с соответствующим замедлением скорости их циклов.
источник
111. Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления. Роль ионов кальция и других ионов в регуляции мышечного сокращения.
Рассмотрим, к чему сводятся представления о механизме попеременного сокращения и расслабления мышц. В настоящее время принято считать, что биохимический цикл мышечного сокращения состоит из 5 стадий (рис. 20.8): 1) миозиновая «головка» может гидролизовать АТФ до АДФ и Н3РО4 (Pi), но не обеспечивает освобождения продуктов гидролиза. Поэтому данный процесс носит скорее стехиометрический, чем каталитический, характер (см. рис. 20.8, а);
2) содержащая АДФ и Н3РО4 миозиновая «головка» может свободно вращаться под большим углом и (при достижении нужного положения) связываться с F-актином, образуя с осью фибриллы угол около 90° (см. рис. 22.8, б);
3) это взаимодействие обеспечивает высвобождение АДФ и Н3РО4 из актин-миозинового комплекса. Актомиозиновая связь имеет наименьшую энергию при величине угла 45°, поэтому изменяется угол миозина с осью фибриллы с 90° на 45° (примерно) и происходит продвижение актина (на 10–15 нм) в направлении центра саркомера (см. рис. 20.8, в);
4) новая молекула АТФ связывается с комплексом миозин–F-актин (см. рис. 20.8, г); Рис. 20.8. Биохимический цикл мышечного сокращения. Объяснение в тексте.
5) комплекс миозин–АТФ обладает низким сродством к актину, и поэтому происходит отделение миозиновой (АТФ) «головки» от F-актина. Последняя стадия и есть собственно расслабление, которое отчетливо зависит от связывания АТФ с актин-миозиновым комплексом (см. рис. 20.8, д). Затем цикл возобновляется.
Регуляция сокращения и расслабления мышц. Сокращение любых мышц происходит по общему механизму, описанному ранее. Мышечные волокна разных органов могут обладать различными молекулярными механизмами регуляции сокращения и расслабления, однако всегда ключевая регулятор-ная роль принадлежит ионам Са2+. Установлено, что миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться в его присутствии лишь при наличии в среде определенных концентраций ионов кальция . Наибольшая сократительная активность наблюдается при концентрации ионов Са2+ около 10–6–10–5 М. При понижении концентрации до 10–7 М или ниже мышечные волокна теряют способность к укорочению и развитию напряжения в присутствии АТФ. По современным представлениям, в покоящейся мышце (в миофибрил-лах и межфибриллярном пространстве) концентрация ионов Са2+ поддерживается ниже пороговой величины в результате связывания их структурами (трубочками и пузырьками) саркоплазматической сети и так называемой Т-системой при участии особого Са2+-связывающего белка, получившего название кальсеквестрина, входящего в состав этих структур. Связывание ионов Са2+ разветвленной сетью трубочек и цистерн сарко-плазматической сети не является простой адсорбцией. Это активный физиологический процесс, который осуществляется за счет энергии, освобождающейся при расщеплении АТФ Са2+-зависимой АТФазой саркоплазматической сети . При этом наблюдается весьма своеобразная картина: скорость выкачивания ионов Са2+ из межфибриллярного пространства стимулируется этими же ионами. В целом такой механизм получил название «кальциевая помпа» по аналогии с хорошо известным в физиологии натриевым насосом. Возможность пребывания живой мышцы в расслабленном состоянии при наличии в ней достаточно высокой концентрации АТФ объясняется снижением в результате действия кальциевой помпы концентрации ионов Са2+ в среде, окружающей миофибриллы, ниже того предела, при котором еще возможны проявление АТФазной активности и сократимость акто-миозиновых структур волокна. Быстрое сокращение мышечного волокна при его раздражении от нерва (или электрическим током) является результатом внезапного изменения проницаемости мембран и как следствие выхода из цистерн и трубочек саркоплазматической сети и Т-системы некоторого количества ионов Са2+ в саркоплазму. Как отмечалось, «чувствительность» актомиозиновой системы к ионам Са2+ (т.е. потеря актомиозином способности расщеплять АТФ и сокращаться в присутствии АТФ при снижении концентрации ионов Са2+ до 10–7 М) обусловлена присутствием в контрактильной системе (на нитях F-акти-на) белка тропонина, связанного с тропомиозином. В тропонин-тропомио-зиновом комплексе ионы Са2+ связываются именно с тропонином. В молекуле тропонина при этом происходят конформационные изменения, которые, по-видимому, приводят к сдвигу всего тропонин-тропомиози-нового стержня и деблокировке активных центров актина, способных взаимодействовать с миозином с образованием сократительного комплекса и активной Mg2+-АТФазы. В продвижении актиновых нитей вдоль миозиновых, по данным Э. Хаксли, важную роль играют временно замыкающиеся между нитями поперечные мостики, которые являются «головками» миозиновых молекул. Итак, чем большее число мостиков прикреплено в данный момент к акти-новым нитям, тем больше сила мышечного сокращения. Наконец, если возбуждение прекращается, содержание ионов Са2+ в саркоплазме снижается (кальциевая помпа), то циклы прикрепление–освобождение прекращаются, т.е. «головки» миозиновых нитей перестают прикрепляться к актиновым нитям. В присутствии АТФ мышца расслабляется и ее длина достигает исходной. Если прекращается поступление АТФ (аноксия, отравление дыхательными ядами или смерть), то мышца переходит в состояние окоченения. Почти все поперечные мостики толстых (миозиновых) нитей присоединены при этом к тонким актиновым нитям, следствием чего и является полная неподвижность мышцы. 112. Саркоплазматические белки. Миоглобин, его строение и функции. Карнозин и анзерин. Особенности энергетического обмена в мышцах; роль креатинфосфата.
Белки, входящие в состав саркоплазмы, относятся к протеинам, растворимым в солевых средах с низкой ионной силой. Принятое ранее подразделение саркоплазматических белков на миоген, глобулин X, миоальбумин и белки-пигменты в значительной мере утратило смысл, поскольку существование глобулина X и миогена как индивидуальных белков в настоящее время отрицается. Установлено, что глобулин X представляет собой смесь различных белковых веществ со свойствами глобулинов. Термин «миоген» также является собирательным понятием. В частности, в состав белков группы миогена входит ряд протеинов, наделенных ферментативной активностью: например, ферменты гликолиза. К числу саркоплазмати-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 обмена. Недавно была открыта группа саркоплазматических белков – пар-вальбумины, которые способны связывать ионы Са2+. Их физиологическая роль остается еще неясной. Миоглоби́н — Белок, содержащийся в клетках скелетных мышц и в миокарде, обеспечивающий в них депонирование кислорода.
Молекула миоглобина образована единичной полипептидной цепью и железосодержащим гемом, сходна по строению и функциям с гемоглобином крови.
Миоглобин связывает кислород (образуется оксимиоглобин) и является основным его поставщиком для скелетных мышц. При гипоксии (например, при интенсивной физической нагрузке) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии миоцитов, где осуществляется синтез АТФ. Выводится миоглобин в неизмененном виде с мочой, поэтому его концентрация также зависит от функции почек. При любом повреждении, некрозе, лизисе ткани скелетной мускулатуры или миокарда миоглобин поступает в кровь. При инфаркте миокарда выраженность гипермиоглобинемии находится в прямой зависимости от размеров очага некроза. Это один из самых ранних маркеров инфаркта миокарда (обнаруживается уже через 2 часа после приступа, увеличение концентрации может быть 10-кратным), предполагается, что быстрое поступление в кровь связано с относительно малыми размерами молекулы, этим же объясняется и быстрое выведение его почками из крови.
Миоглобин — неспецифический маркёр инфаркта миокарда, поэтому диагноз должен подтверждаться более специфичными для поражения миокарда маркёрами.
Подобно гемоглобину, миоглобин высокотоксичен при его нахождении в свободном состоянии в плазме крови: крупные молекулы миоглобина могут закупоривать канальцы почек и приводить к их некрозу; конкурируя с гемоглобином эритроцитов за связывание с кислородом в лёгких и не выполняя функцию отдавания кислорода тканям, свободный миоглобин ухудшает кислородное снабжение тканей и приводит к развитию тканевой гипоксии.
Самоотравление организма свободным миоглобином и как следствие острая почечная недостаточность и тканевая гипоксия — одна из главных причин смерти при синдроме длительного сдавливания (крэш-синдром), встречающемся при тяжелых травмах со сдавлением или размозжением значительных количеств мышечной ткани.
Карнозин (Carnosine или beta-alanyl-L-histidine) — дипептид, состоящий из бета-аланина и гистидина. Наибольшая концентрация карнозина в организме определяется в мозге и мышцах. Карнозин был впервые обнаружен в составе мышечного экстракта русским ученым-биохимиком Владимиром Сергеевичем Гулевичем в 1900 г.
Анзерин – дипептид, состоящий из двух аминокислот – метилгистидина и бета-аланина; был обнаружен в 1929 Натальей Толкачевской, ученицей В.С. Гулевича, в составе мышц гуся Anser anser. Анзерин – метилированное производное карнозина, вместе с которым обнаруживается только в мышечной и нервной тканях позвоночных животных и человека (в основном, в скелетной мускулатуре).
В 1954 С.Е. Северин, ученик В.С. Гулевича, впервые описал биологическую функцию карнозина и анзерина – их способность устранять мышечное утомление и обеспечивать многократное увеличение работоспособности изолированной мышцы в экспериментальных условиях. Позже была обнаружена протекторная способность этих соединений и относительно нейронов головного мозга (1994–1996), а также их антиоксидантная активность.
Положительное действие карнозина и родственных ему анзерина и офидина, основано на способности этих соединений служить внутриклеточным буфером протонов (снижение кислотности), активных форм кислорода (антиоксидантные свойства) и тяжелых металлов. Буферные свойства, существенно более выраженные у анзерина (и еще более – у офидина), позволяет этим соединениям снимать мышечную усталость, восстанавливать работоспособность организма, оптимизировать метаболические процессы в клетках, замедлять дегенерацию нейронов головного мозга при старческой или патологической (болезнь Альцгеймера) деменции.
В качестве пищевой добавки для повышения содержания карнозина и анзерина в мышцах принимается бета-аланин, т.к. карнозин и анзерин пищи под действием пищеварительных ферментов быстро распадаются на составляющие их бета-аланин и гистидин, и в дальнейшем в мышцах происходит новообразование карнозина. При этом в мышцах человека в норме наблюдается дефицит только бета-аланина; гистидин содержится в достаточных количествах. Однако вегетарианцы могут испытывать дефицит и гистидина тоже, но для восполнения дефицита гистидина им рекомендуется принимать не гистидин наряду с аланином, а побольше белка!
Энергетический обмен в мышечной ткани
Важнейшей функцией мышечного волокна является сократительная. Процесс сокращения и расслабления связан с потреблением АТФ (АТР), гидролиз которого катализирует миозин-АТФ-аза [1] (см. рис. 325).
Однако небольшой запас АТФ, имеющийся в мышцах, расходуется менее чем за 1 с после стимуляции. Потребности работающей мышцы в АТФ удовлетворяются за счет следующих ферментативных реакций: 1. Резерв в виде креатинфосфата. Быстрая регенерация АТФ может быть достигнута за счет переноса фосфатной группы креатинфосфата на АДФ (ADP) в реакции, катализируемой креатинкиназой [2].
Однако и этот мышечный резерв «высокоэргического фосфата» расходуется в течение нескольких секунд. В спокойном состоянии креатинфосфат вновь синтезируется из креатина. При этом фосфатная группа присоединяется по гуанидиновой группе креатина (N-гуанидино-N-метилглицина). Креатин, который синтезируется в печени, поджелудочной железе и почках, в основном накапливается в мышцах. Здесь креатин медленно циклизуется за счет неферментативной реакции [3] с образованием креатинина, который поступает в почки и удаляется из организма (см. рис. 317).
2 Анаэробный гликолиз. В мышечной ткани наиболее важным долгосрочным энергетическим резервом является гликоген (см. рис. 159). В покоящейся ткани содержание гликогена составляет до 2% от мышечной массы. При деградации под действием фосфорилазы гликоген легко расщепляется с образованием глюкозо-6-фосфата, который при последующем гликолизе превращается в пируват. При большой потребности в АТФ и недостаточном поступлении кислорода пируват за счет анаэробного гликолиза восстанавливается в молочную кислоту (лактат), которая диффундирует в кровь (цикл Кори, см. рис. 331).
3. Окислительное фосфорилирование. В аэробных условиях образующийся пируват поступает в митохондрии, где подвергается окислению. Окислительное фосфорилирование (см. с. 143) — наиболее эффективный и постоянно действующий путь синтеза АТФ. Однако этот путь реализуется при условии хорошего снабжения мышц кислородом. Наряду с глюкозой, образующейся при расщеплении мышечного гликогена, для синтеза АТФ используются и другие «энергоносители», присутствующие в крови: глюкоза крови, жирные кислоты и кетоновые тела.
4. Образование инозинмонофосфата [ИМФ (IMP)]. Другим источником быстрого восстановления уровня АТФ является конверсия АДФ в АТФ и АМФ (AMP), катализируемая аденилаткиназой (миокиназой) [5]. Образовавшийся АМФ за счет дезаминирования частично превращается в ИМФ (инозинмонофосфат) (см. рис. 191), что сдвигает реакцию в нужном направлении. Из всех способов синтеза АТФ наиболее продуктивным является окислительное фосфорилирование. За счет этого процесса обеспечиваются потребности в АТФ постоянно работающей сердечной мышцы (миокарда). Вот почему для успешной работы сердечной мышцы обязательным условием является достаточное снабжение кислородом (инфаркт миокарда — это следствие перебоев в поступлении кислорода). В высокоактивных (красных) скелетных мышцах источником энергии для рефосфорилирования АДФ служит окислительное фосфорилирование в митохондриях. В обеспечении этих мышц кислородом принимает участие миоглобин (Mb) — близкий гемоглобину белок, обладающий свойством запасать кислород. В малоактивных скелетных мышцах, лишенных красного миоглобина и поэтому белых, главным источником энергии для восстановления уровня АТФ является анаэробный гликолиз. Такие мышцы сохраняют способность к быстрым сокращениям, однако они могут работать лишь короткое время, поскольку при гликолизе образование АТФ идет с низким выходом. Спустя некоторое время мышцы истощаются в результате изменения рН в мышечных клетках. Расщепление гликогена контролируется гормонами (см. рис. 123). Процесс гликогенолиза стимулируется адреналином (через b-рецепторы) за счет образования цАМФ и активации киназы фосфорилазы. Активация фосфорилазы наступает также при увеличении концентрации ионов Са2+ во время мышечного сокращения. 113. Химический состав нервной ткани. Миелиновые мембраны: особенности состава и структуры.
1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕРВНОЙ ТКАНИ.
Химический состав нервной ткани сложен и неоднороден, как в целом и сама нервная ткань. Отличия в химическом составе носят в основном количественный характер. В сером веществе 77 -81% воды, в белом-70%. Содержание белков в нервной ткани меньше, чем в некоторых других тканях (печень, мышцы). Их больше в сером веществе и меньше в периферических нервах. В нервной ткани содержится больше сложных белков: ЛИПОПРОТЕИНЫ (миелиновые оболочки), ФОСФОПРОТЕИНЫ, НУКЛЕОПРОТЕИНЫ (ДНП, РНП), ГЛИКОПРОТЕИНЫ (нейрокератин), En.
Наибольший интерес представляют нейроспецифические белки:
1. белок S-100 (растворим в 100% растворе (NH4)2SO4). Он повышается в ткани мозга в эксперименте при обучении и эмоциональном воздействии. Считают, что этот белок отвечает за формирование зависимостей (алкогольной, наркотической). ПРОПРОТЕИН — антитело к белку S-100, понижает его содержание в ткани мозга.
2. Белок 14-3-2 играет важную роль в формировании памяти.
3. НЕЙРОПЕПТИДЫ — играют роль нейромедиаторов и гормонов. Пептиды памяти, боли, сна. Не белковые азотистые соединения те же самые, что и в других тканях, но отличаются по
количественному составу. В нервной ткани много свободных аминокислот, г.о. дикарбоновых (ГЛУ, ГЛН, ACП, АСН), ГАМК, ароматические аминокислоты, ЦАМФ и ЦГМФ. Углеводов незначительное количество:
1. резервные углеводы — гликоген (0,1 %)
ЛИПИДОВ в сером веществе 25%, в белом веществе 50%.
1. ФОСФОЛИПИДЫ (до 50%) — ПЛАЗМОГЕН АЦЕТАЛЬФОСФАТИДЫ.
2. ГЛИКОЛИПИДЫ — ЦЕРЕБРОЗИДЫ, ГАНГЛИОЗИДЫ.
3. ВЖК — в основном непредельные, содержащие по 4 — 5 двойных связей.
4. Холестерин (25%) в свободном виде. Мозг даже называют депо холестерина.
5. Нейтральные жиры — в незначительном количестве в головном, но в большом количестве в периферических нервах.
Минеральные вещества представлены катионами калия, натрия, кальция, магния, железа, меди, цинка, в качестве анионов выступают анионы белков и фосфаты.
Миелиновая оболочка — электроизолирующая оболочка, покрывающая аксоны многих нейронов. Миелиновую оболочку образуют глиальные клетки: в периферической нервной системе — Шванновские клетки, в центральной нервной системе —олигодендроциты. Миелиновая оболочка формируется из плоского выроста тела глиальной клетки, многократно оборачивающего аксон подобно изоляционной ленте. Цитоплазма в выросте практически отсутствует, в результате чего миелиновая оболочка представляет собой, по сути, множество слоёв клеточной мембраны.
Миелин прерывается только в области перехватов Ранвье, которые встречаются через правильные промежутки длиной примерно 1 мм. В связи с тем, что ионные токи не могут проходить сквозь миелин, вход и выход ионов осуществляется лишь в области перехватов. Это ведёт к увеличению скорости проведения нервного импульса. Таким образом, по миелинизированным волокнам импульс проводится приблизительно в 5—10 раз быстрее, чем по немиелинизированным.
Из вышесказанного становится ясным, что миелин и миелиновая оболочка являются синонимами. Обычно термин миелин употребляется в биохимии, вообще при упоминании его молекулярной организации, а миелиновая оболочка — в морфологии и физиологии.
Химический состав и структура миелина, произведённого разными типами глиальных клеток, различны. Цвет миелинизированных нейронов — белый, отсюда название «белого вещества» мозга.
Приблизительно на 70—75 % миелин состоит из липидов, на 25—30 % — из белков. Такое высокое содержание липидов отличает миелин от других биологических мембран.
Склерозы, аутоиммунные заболевания, связанные с разрушением миелиновой оболочки аксонов в некоторых нервах, приводит к нарушению координации и равновесия.
источник