Механизм мышечного сокращения. Электромеханическое сопряжение роль ионов са .
Механизм мышечных сокращений
Этот процесс у поперечно-полосатых мышечных волокон реализуется посредством нервных волокон, а именно аксонов мотонейронов спинного мозга и головного ствола. Один мотонейрон иннервирует несколько волокон мышц. Комплекс с мотонейроном и иннервируемыми мышечными волокнами называют нейромоторной (НМЕ), или двигательной единицей (ДЕ). Среднее число волокон, которые иннервирует один мотонейрон, характеризует величину ДЕ мышцы, а обратную величину называют плотностью иннервации. Последняя является большой в тех мышцах, где движения небольшие и «тонкие» (глаза, пальцы, язык). Малое ее значение будет, напротив, в мышцах с «грубыми» движениями (например, туловище).
Когда ионы кальция отсутствуют, то есть миофибриллы расслабляются, длинные тропомиозиновые молекулы блокируют крепление актиновых цепей и мостиков миозина. Но при активизации ионов кальция тропомиозиновые молекулы опускаются глубже, и участки открываются.
Механизм мышечного сокращения
При электронной микроскопии видно, что на боковых сторонах миозиновой нити обнаруживаются выступы, получившие название поперечных мостиков. Они ориентированы по отношению к оси миозиновой нити под углом 120°. Согласно современным представлениям, поперечный мостик состоит из головки и шейки. Головка приобретает выраженную АТФазную активность при связывании с актином. Шейка обладает эластическими свойствами и представляет собой шарнирное соединение, поэтому головка поперечного мостика может поворачиваться вокруг своей оси.
Существенная роль кальция в механизме мышечного сокращения была доказана в опытах с применением белка экворина, который при взаимодействии с кальцием излучает свет. После инъекции экворина мышечное волокно подвергали электрической стимуляции и одновременно измеряли мышечное напряжение в изометрическом режиме и люминесценцию экворина. Обе кривые полностью коррелировали друг с другом (рис. 2.21). Таким образом, четвертым этапом электромеханического сопряжения является взаимодействие кальция с тропонином.
Механизм сопряжения возбуждения и сокращения в поперечно-полосатых мышечных волокнах (электромеханическое сокращение)
Обычно мышца возбуждается при поступлении нервных импульсов от аксонов мотонейронов в пресинаптическую часть нервного волокна. Через 1-2 мс в мышечном волокне со скоростью примерно 2м/сек булл распространяться потенцией действия, а через 5-10 мс возникает сокращение этого волокна.
Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине мышечной клетки называемся электромеханическим сопряжением. Оно происходит в несколько этапов, с участием белков тропонииа и тропомиозина, а также ионов Са 2+ и состоит из нескольких этапов:
Механизм мышечного сокращения
Тонкие миофиламенты построены из глобулярных молекул белка актина. Мономеры актина взаимодействуют между собой и образуют фибриллярный актин. Актиновые филаменты представляют собой закрученную двойную спираль (похоже на две связки бус, которые перекручены с шагом в 14 молекул, примерно 36,5нм). Таких нитей в саркомере 2000. Эти нити одним концом прикреплены к - пластинке, а второй конец достигает середины саркомера.
Обратите внимание на использование энергии АТФ в циклических гребковых движениях (рис.35). После завершения гребкового движения положение головки изменилось. Присоединение АТФ сопровождается отщеплением головки от актиновой миофиламенты, затем происходит гидролиз АТФ, высвобождение энергии и возвращение головки миозиновой молекулы в исходное состояние. Головка вновь готова к контакту, однако соединяется уже со следующим активным центром, и протягивает его с помощью очередного гребка. Таким образом, циклические движения тысяч головок миозина протягивают тонкие миофиламенты вдоль толстых.
Физиология мышечного сокращения
После прекращения тетанического раздражения волокна вначале расслабляются не полностью, и их исходная длина восстанавливается лишь по истечении некоторого времени. Это явление называется посттетанической , или остаточной контрактурой. Она связана с тем. что требуется больше времени для удаления из межфибриллярного пространства всего Са++, попавшего туда при ритмических стимулах и не успевшего полностью удалиться в цистерны саркоплазматического ретикулюма работой Са-насосов.
Существуют различные типы гладких мышц. В стенках большинства полых органов находятся мышечные волокна длиной 50-200 мк и диаметром 4-8 мк, которые очень тесно примыкают друг к другу, и потому при рассмотрении их в микроскоп создается впечатление, что они морфологически составляют одно целое. Электронно-микроскопическое исследование показывает, однако, что они отделены друг от друга межклеточными щелями, ширина которых может быть равна 600-1500 ангстрем. Несмотря на это, гладкая мышца функционирует как одно целое. Это выражается в том, что ПД и медленные волны деполяризации беспрепятственно распространяются с одного волокна на другое.
Регулирующая роль ионов кальция в мышечном сокращении
Саркоплазматическая сеть расположена поблизости от миофибрилл, причем в электромеханическом сопряжении важнейшую роль играют ее цистерны, примыкающие к Z-дискам (рисунок 6). Здесь же находятся впячивания сарколеммы внутрь волокна, имеющему форму трубочек (Т). Они образуются за счет того, что сарколемма во многих местах «ныряет» вглубь и заканчивается в саркоплазме слепыми концами наподобие пальцев вывернутой перчатки. В зоне Z-диска каждая трубочка (Т) вместе с двумя соседними цистернами СПС образует так называемую Т-систему. Цистернами окружают каждую миофибриллу. Т-система с миофибриллой служат основным звеном в электромеханическом сопряжении.
Выход кальция из СПС прекращается сразу вслед за реполяризациией сарколеммы, но миофибриллы пребывают в сокращенном состоянии. Чтобы миофибриллы расслабились, кальции должен обратно вернуться в саркоплазматическую сеть. Но такой транспорт приходится осуществлять вопреки действию огромного концентрационного градиента (в СПС кальция много, в саркоплазме мало). Следовательно, расслабление миофибрилл в миоците скелетных мышц после их сокращения невозможно без участия системы активного транспорта — кальциевой помпы (рисунок 6, В). Ее работа — неотъемлемый элемент сократительного процесса в мышце. Из мембраны СПС выделена Са-активируемая АТФаза, которая служит основным компонентом кальциевого насоса.
Механизм мышечного сокращения. Электромеханическое сопряжение роль ионов са .
Возбуждение (потенциал действия) распространяется по мембране миофибриллы и за счет системы поперечных трубочек достигает саркоплазматического ретикулума. Деполяризации мембраны саркоплазматического ретикулума приводит к открытию в ней Са++ -каналов, через которые в саркоплазму выходят ионы Са++ (рис. 3, В).
Саркомер и филламенты. Саркомеры в миофибрилле отделены друг от друга Z -пластинками, которые содержат белок бета-актинин. В обоих направлениях от Z -пластинки отходят тонкие актиновые филламенты. В промежутках между ними располагаются более толстые миозиновые филламенты .
Механизм мышечного сокращения
В основе молекулярного механизма сокращения лежит процесс так называемого электромеханического сопряжения, причем ключевую роль в процессе взаимодействия миозиновых и актиновых миофиламентов играют ионы Са++, содержащиеся в саркоплазматическом ретикулуме.
Выделяют несколько последовательных этапов запуска и осуществления мышечного сокращения:
1. Потенциал действия распространяется вдоль двигательного нервного волокна до его окончаний на мышечных волокнах.
2. Каждое нервное окончание секретирует небольшое количество нейромедиатора ацетилхолина.
3. Ацетилхолин действует на ограниченную область мембраны мышечного волокна, открывая многочисленные управляемые ацетилхолином каналы, проходящие сквозь белковые молекулы, встроенные в мембрану.
4. Открытие управляемых ацетилхолином каналов позволяет большому количеству ионов натрия диффундировать внутрь мышечного волокна, что ведет к возникновению на мембране потенциала действия.
5. Потенциал действия проводится вдоль мембраны мышечного волокна так же, как и по мембране нервного волокна.
6. Потенциал действия деполяризует мышечную мембрану, и большая часть возникающего при этом электричества течет через центр мышечного волокна. Это ведет к выделению из саркоплазматического ретикулума большого количества ионов кальция, которые в нем хранятся.
7. Ионы кальция инициируют силы сцепления между актиновыми и миозиновыми нитями, вызывающие скольжение их относительно друг друга, что и составляет основу процесса сокращения мыщц.
8. Спустя долю секунды с помощью кальциевого насоса в мембране саркоплазматического ретикулума ионы кальция закачиваются обратно и сохраняются в ретикулуме до прихода нового потенциала действия. Удаление ионов кальция от миофибрилл ведет к прекращению мышечного сокращения.
Мышечное сокращение
В состоянии покоя нити актина и миозина незначительно перекрывают друг друга таким образом, что общая длина саркомера составляет около 2,5 мкм. При электронной микроскопии в центре H-полоски обнаружена М-линия — структура, которая удерживает нити миозина.
Длительность одиночного сокращения у разных мышц может сильно варьировать и зависит от функционального состояния мышцы. Скорость сокращения и особенно расслабления замедляется при развитии утомления мышцы. К быстрым мышцам, имеющим кратковременное одиночное сокращение, относятся наружные мышцы глазного яблока, век, среднего уха и др.
Физиология мышечного сокращения
Существуют различные типы гладких мышц. В стенках большинства полых органов находятся мышечные волокна длиной 50-200 мк и диаметром 4-8 мк, которые очень тесно примыкают друг к другу, и потому при рассмотрении их в микроскоп создается впечатление, что они морфологически составляют одно целое. Электронно-микроскопическое исследование показывает, однако, что они отделены друг от друга межклеточными щелями, ширина которых может быть равна 600-1500 ангстрем. Несмотря на это, гладкая мышца функционирует как одно целое. Это выражается в том, что ПД и медленные волны деполяризации беспрепятственно распространяются с одного волокна на другое.
Физиологические особенности гладких мышц. Важным свойством гладкой мышцы является ее большая пластичность, т.е. способность сохранять приданную растяжением длину без изменения напряжения. Скелетная мышца, наоборот, сразу укорачивается после снятия груза. Гладкая мышца остается растянутой до тех пор, пока под влиянием какого-либо раздражения не возникает ее активного сокращения. Свойство пластичности имеет большое значение для нормальной деятельности полых органов — благодаря ему давление внутри полого органа относительно мало изменяется при разной степени его наполнения.
Электро-механическое сопряжение в сердечной мышце
Удаление Са 2+ от тропонина С.По мере того, как [Ca]i падает, ионы Са 2+ отщепляются от тропонина, что прекращает взаимодействие актина и миозина и мышца расслабляется. b1-адренергические агонисты ускоряют расслабление посредством фосфорилирования тропонина I, что, в свою очередь, увеличивает скорость отщепления Са 2+ от тропонина С.
Агенты, вызывающие положительные инотропные эффекты, повышают сократимость миокарда посредством увеличения [Ca 2+ ]i. Вещества, непосредственно влияющие на сократимость миокарда, могут изменять динамику сокращения сердца независимо от пред- и пост-нагрузки (см. главу 3.2). Такие вещества или факторы обладают одной общей способностью — изменять концентрацию внутриклеточного кальция — [Cа 2+ ]i . Если какой-либо фактор увеличивает сократимость миокарда — его называют положительным инотропным агентом, если уменьшает сократимость — отрицательным инотропным агентом.
Механизм мышечных сокращений кратко
Амплитуды сокращений определяются частотой импульсов, которые раздражают мышечные волокна. В этой системе взаимодействия сигналов и откликов можно выделить оптимум и пессимум частоты. Первым обозначается частота, которая в момент действия будет накладываться на фазу повышенной возбудимости. В таком режиме может активизироваться механизм сокращения мышечного волокна с большой амплитудой. В свою очередь, пессимум определяет более высокую частоту, импульс которой приходится на фазу рефрактерности. Соответственно, в этом случае амплитуда уменьшается.
- Сокращения возникают при пониженной частоте импульсов. Если электрический импульс распространяется после завершения расслабления, то следует серия одиночных актов сокращения.
- Высокая частота импульсных сигналов может совпадать с расслабляющей фазой предшествующего цикла. В этом случае амплитуда, в которой работал механизм сокращения мышечной ткани, будет суммироваться, что обеспечит длительное сокращение с неполными актами расслабления.
- В условиях повышения частоты импульсов новые сигналы будут действовать в периоды укорочения, что спровоцирует длительное сокращение, которое не будет прерываться расслаблениями.
