Регуляция сокращения и расслабления мышц

Регуляция сокращения мышц

1. Мышечное сокращение начинается с нервного импульса. Под воздействием ацетилхолина развивается возбуждение клеточной мембраны и резко повышается ее проницаемость для Са2+.

2. Са2+ поступает в цитоплазму мышечной клетки (саркоплазму) из депо-цистерн цитоплазматического ретикулума. Концентрация Са2+ в саркоплазме мгновенно увеличивается в 100 раз (с 10—7 до 10—5 М).

3. Кальций связывается с Тропонина С. Это приводит к конформационным изменениям молекулы тропонина, в результате устраняется пространственное препятствие в виде Тропонина I, в результате конформационных изменений Тропонина Т молекула тропомиозина оттягивается в сторону и открывает на поверхности актина миозинсвязывающие центры.

 Регуляция расслабления мышц

1. Освобождение Тропонина С от Са2+. Для этого работает мембранносвязанный фермент Са2+-зависимая АТФаза, переносящий Са2+ обратно в цистерны против градиента их концентраций. Накоплению ионов кальция в цистернах помогает белок кальсеквестрин. Кальсеквестрин связывает Са2+ в цистернах. Когда мышца готова к сокращению, концентрация Са2+ в цистернах велика.

2. Необходимость АТФ. Если нет АТФ, то не работает Са2+-зависимая АТФаза. В этих условиях кальций связан с Тропонином С — вся система находится в активном состоянии, нет распада актомиозинового комплекса — мышца постоянно находится в состоянии сокращения. Такая ситуация наблюдается после смерти человека в состоянии трупного окоченения. Запасы АТФ в клетке значительны, но их хватает для обеспечения мышечной работы только в течение 0,1 секунды.

 6. Изменение метаболизма при мышечной работе. Особенности метаболизма в мышечной ткани. Специализация мышц.

1. Уменьшение концентрации АТФ смещает равновесие креатинфосфокиназной реакции вправо: используется креатинфосфат. Затем включается гликолиз, системе окислительного фосфорилирования необходима 1 минута для запуска. Это пусковая фаза мышечной работы.

2. В дальнейшем изменения метаболизма зависят от интенсивности мышечной работы: а) если мышечная работа длительная и небольшой интенсивности, то клетка получает энергию путем окислительного фосфоролирования — это работа в “аэробной зоне”; б) если мышечная работа субмаксимальной интенсивности, то дополнительно к окислительному фосфорилированию включается гликолиз — это наиболее тяжелая мышечная работа, возникает “кислородная задолженность” — это работа “в смешанной зоне”. Мышечная работа максимальной интенсивности, но непродолжительная

Механизм окислительного фосфорилирования не успевает включаться. Работа идет исключительно за счет гликолиза. После окончания максимальной нагрузки лактат поступает из крови в печень, где идут реакции глюконеогенеза, или лактат превращается в пируват, который дальше окисляется в митохондриях (гексозодифосфатный путь). Для окисления пирувата нужен кислород, поэтому после мышечной работы максимальной и субмаксимальной интенсивности потребление кислорода мышечными клетками повышено — возвращается кислородная задолженность (долг).

Механизм дезаминирования в мышцах

 Поскольку в мышцах недостаточна активность глутаматдегидрогеназы (ГДГ), то при интенсивной физической работе функционирует еще один путь непрямого дезаминирования с участием ИМФ и АМФ. Сначала альфа-аминокислоты переаминируются с альфа-кетоглутаратом, образованный при этом глутамат подвергается переаминированию с оксалоацетатом с образованием аспартата, который переносится на ИМФ, образуя сложное соединение — аденилосукцинат, которое распадается и дает АМФ и фумарат. При дезаминировании АМФ образуется аммиак, который может использоваться для нейтрализации лактата в мышцах.

Особенности метаболизма мышечной ткани

Мышцы являются главным местом катаболизма аминокислот с разветвленной цепью. Мышечная ткань окисляет лейцин до СО2 и превращает углеродный скелет аспартата, аспарагина, глутамата, изолейцина и валина в субстраты ЦТК. Способность мышц разрушать аминокислоты с разветвленной цепью при голодании и диабете возрастает в 3–5 раз. В мышцах выражен катаболизм липидов. Жирные кислоты, кетоновые тела в аэробных условиях окисляются в мышцах для получения энергии. В мышцах преобладает катаболизм углеводов. Глюкоза окисляется в аэробных или анаэробных условиях для синтеза АТФ. Из глюкозы в мышцах образуется аланин. Глюкоза, поступившая из крови и образовавшаяся в глюконеогенезе, запасается в мышцах в форме гликогена (до 1–2% от массы мышцы).

Специализация мышц

Обеспечение энергией у разных мышечных клеток принципиально различается: есть “красные” мышцы и “белые” мышцы. Красные мышцы — “медленные” оксидативные мышцы. Они имеют хорошее кровоснабжение, много митохондрий, высокую активность ферментов окислительного фосфорилирования. Предназначены для работы в аэробном режиме. Например, такие мышцы служат для поддержания тела в определенном положении (позы, осанка). Белые мышцы — “быстрые”, гликолитические. В них много гликогена, слабое кровоснабжение, высока активность ферментов гликолиза, креатинфосфокиназы, миокиназы. Они обеспечивают работу максимальной мощности, но кратковременную. У человека нет специализированных мышц, но есть специализированные волокна: в мышцах-разгибателях больше “белых” волокон, в мышцах спины больше “красных” волокон.

Наследственная предрасположенность к мышечной работе

У одних людей больше “быстрых” мышечных волокон — им рекомендуется заниматься видами спорта, в которых мышечная работа максимальной интенсивности, но кратковременная (тяжелая атлетика, бег на короткие дистанции и т.п). Люди, в мышцах которых больше “красных” (“медленных”) мышечных волокон, добиваются наибольших успехов в тех видах спорта, где необходима длительная мышечная работа средней интенсивности, например, в марафонском беге (дистанция 40 км). Для определения пригодности человека к определенному типу мышечных нагрузок используется пункционная биопсия мышц.

 7. Особенности биохимии миокарда и гладких мышц. Регуляция сократимости и расслабления гладких мышц.

Особенности биохимии миокарда

• Аэробная ткань (потребляет 7–20% всего кислорода)

• Преобладают аэробные изоферменты: ЛДГ1 и ЛДГ2 КФК2 (MB-изоформа)

• Высокая скорость ЦТК, бета-окисления жирных кислот, очень низкая — анаэробного гликолиза

• Энергосубстраты: жирные кислоты, глюкоза, лактат, кетоновые тела

• Особенно активно из крови миокард извлекает ненасыщенные жирные кислоты — олеиновую кислоту

• Интенсивный метаболизм аминокислот, с высокой активностью АлАТ, АсАТ

• Саркоплазматический ретикулум развит хорошо, однако Ca2+ поступает из внеклеточной среды

• На сарколемме высокая активность АТФаз Миокард в норме в качестве субстратов для синтеза АТФ использует жирные кислоты (65–70%), глюкозу (15–20%) и молочную кислоту (10–15%). Роль аминокислот, кетоновых тел и пирувата в энергообеспечении миокарда сравнительно невелика.

 

ОСОБЕННОСТИ ГЛАДКИХ МЫШЦ

• Существенно отличаются по химическому составу от поперечнополосатых: у них более низкое содержание контрактальных белков — актомиозина, макроэргических соединений, дипептидов и др.

• Для них характерно медленное сокращение, способность долго находиться в состоянии сокращения, затрачивая сравнительно мало энергии и не подвергаясь утомлению.

• Важным свойством гладкой мышцы является ее большая пластичность, т.е. способность сохранять приданную растяжением длину без изменения напряжения.

• Специально приспособлены для того, чтобы поддерживать длительное напряжение, затрачивая на это в 5–10 раз меньше АТФ, чем понадобилось бы для выполнения той же задачи скелетной мышце, а если оценивать по потреблению O2, то в 100– 500 раз меньше.

 Гладкие мышцы 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 сути, и в скелетных, и в гладких мышцах сокращение вызывают одни и те же силы притяжения между миозиновыми и актиновыми нитями, но внутренняя анатомическая структура гладкомышечных волокон иная.

Пусковой механизм в сокращении гладких мышц — повышение [Ca2+] в клетке. Основной путь поступления ионов кальция — кальциевые каналы плазматической мембраны. Ca2+ связывается с кальмодулином, активирует киназу легких цепей миозина. Фосфорилирование легких цепей миозина вызывает сокращение.

 Процесс сокращения в гладких мышцах происходит значительно медленнее. В гладких мышцах потеря тропонина не приводит к утрате сократительной способности, она продолжает регулироваться уровнем цитозольного кальция.

 Главная роль принадлежит белку, связывающему Са2+/кальмодулин, который получил название кальдесмон. Увеличение уровня цитозольного кальция приводит к повышенному его связыванию с кальмодулином, комплекс кальция с кальмодулином связывает кальдесмон. Одновременно наблюдается изменение местоположения тропомиозина в спиральной бороздке F-актина и активация актомиозиновой АТФазы.

Когда количество кальция уменьшается, его комплекс с кальмодулином диссоциирует; кальдесмон отщепляется от этого комплекса и соединяется с тонкими нитями. Соответственно, ингибируется активность актомиозиновой АТФазы.

Другой отличительной особенностью гладких мышц является наличие в составе миозина уникальной короткоцепочечной полипептидной цепи, получившей название “легкая цепь Р”. Эта субъединица может находиться в фосфорилированном и дефосфорилированном состоянии. Присоединение к ней остатка фосфорной кислоты катализирует специальный фермент — киназа легкой цепи миозина (КЛЦМ), которая также зависит от комплекса Са2+/кальмодулин. В отсутствие этого комплекса гладкие мышцы неподвижны, киназа неактивна, а легкие Р-цепи нефосфорилированы.

Повышение концентрации этого комплекса приводит к активации КЛЦМ, соответственно, к фосфорилированию легких Р-цепей и сокращению.

Увеличение концентрации Са2+ до 10—5 М вызывает образование комплекса кальция с кальмодулином (СаКМ), который активирует тонкие нити за счет связывания кальдесмона и освобождает места связывания миозина на тонких нитях. Комплекс СаКМ также связывает и активирует КЛЦМ. Активная киназа катализирует фосфорилирование легкой P-цепи миозина, в результате активируется актомиозиновая АТФазная активность головок миозина. Связывание адреналина с адренорецепторами увеличивает количество цАМФ и, следовательно, активность зависимой от цАМФ протеинкиназы. В результате снижается сродство КЛЦМ к СаКМ, тем самым регулируется сила сокращений, вызванных увеличенным уровнем цитозольного кальция.

Регуляция сократимости гладких мышц

Ионы кальция регулируют сократимость гладкой мышцы. При повышении концентрации до 10 мкМ четыре иона кальция связываются с кальмодулином и активируют миозинкиназу, образуя комплекс 4Са-кальмодулин-миокиназа и запуская через фосфорилирование легких цепей миозина процесс мышечного сокращения. Снижение концентрации ионов кальция ниже 0,1 мкМ (10—7 М) приводит к диссоциации 4Ca-КМ комплекса, освобождению и инактивации миозинкиназы, дефосфорилированию под действием фосфатазы легких цепей миозина — начинается процесс расслабления.

Расслабление гладких мышц сосудов NO

1. Ацетилхолин действует на мембранные рецепторы эндотелия через инозитолтрифосфатный механизм, повышает концентрацию ионов Са, активируя NO-синтазу.

2. NO-синтаза производит 5-электронное окисление аргинина с образованием цитрулина и NO.

3. NO диффундирует в миоциты гладких мышц сосудистой стенки, активируя в них гуанилатциклазу.

4. Гуанилатциклаза синтезирует цГМФ, активирующий систему протеинкиназ, запускающих, в свою очередь, процесс расслабления гладких мышц.

На этом механизме основано действие нитроглицерина и других нитросодержащих сосудорасширяющих препаратов.