Шмидт, Тевс (ред.) - Физиология человека - т.1 (947488), страница 28
Текст из файла (страница 28)
двиглтильныи и инткгрлтивныв Функции нн вной снствмы 72 Таблица 4.1. Прямыв и мвпрямые источники энергии в сквлетной мышце человека [2) Нсгач«вк«элерт«я Реакции, лэюшве энергию Калячества. мвмаль/г мышцы АТФ АДФ+ Р, КФ+ АДФээАТФ+ К Аназробное расщепление через пнрунат до лактатв (глнхолвз) Аэробное расщепление через пяруввт до СОэ н НэО Окисление до СО, н НэО Аленозннтрнфосфат (АТФ) Кревтннфосфвт (КФ) Глюкоза (мономеры в составе глнкогена) Трнглнцергщы 5 11 84 1О вает сомнений с тех пор, как было продемонстрировано пщролитическое расщепление АТФ до АДФ н фосфата во время сокращения мышцы (15).
Все другие высвобожлаюшие энергию реакции в ней„ например аэробное и анаэробное расщепление углеводов и распад креатинфосфата, не обеспечивают этот процесс непосредственно; они служат только для непрерывного воспроизводства главного «топлив໠— АТФ. Метаболическая сторона вопроса подробно рассматривается в учебниках биохимии, так что здесь мы ограничимся лишь кратким резюме (табл. 4.1).
Скорость расщепления АТФ во время сокращения можно измерить только в условиях блокады ресинтеза АТФ соответствующими метаболичсскими ядами (1э). Изолированные мышцы лягушки, быстро замороженные жидким азотом иа максимуме вызванного одиночньпп спамулом иэотоннческого сокращения, содержат в среднем лишь 2,6мкмоль АТФ на 1 г сырой массы, тогда как контрольные мышцы, не подвергавшиеся стимуляции,— 2,9 мкмоль.
Вместо израсходованного АТФ появляется эквивалентное количество (0,3 мкмоль) продуктов реакции — АДФ и фосфата. Таким образом, расщепление 0,3 мкмоль АТФ обеспечило энергию для изотонического сокращения н выделение Тепла. АТФ гидролитически расщепляется н за счет этого энергетически используется в мышце с помощью особого фермента — АТФазы миозигиь причем этот процесс активируется июлилояс Актин и миозин, как говорилось выше, представляют собой белковые структуры, прямо участвующие в механическом сокршцении, а АТФ вЂ” единственное нещество в мышце (исключенне составляют только редкие нуклеозидтрифосфаты), которое имн может непосредственно утилнзироватьсл. Веберу я Портцелю удалось получить гелеобразные сократнтельные нити актина и миозина (ихтамиазиновые нити), способные сокращаться так же, как живые мышцы, используя АТФ (только АТФ!) в качестве источника энергяи (193.
Это подтверждает непосредственное участие АТФ в мышечном сокращении. Потребление АТФ во время саяр«шева«. Сейчас нзвестно, что мяознновые головки, взанмодействующне с вктпном, свми содержат каталнтнческн активные центры АДФ-элеваэвввлфасфэт, К вЂ” эреэгвв. Р,-вверг«югнсхяй фа«фаз. для рвсщеплення АТФ.
АТФаза мвознна вктлвнруется актнном в присутствии Мй*'. Следовательно, прн физиологическом ионном составе среды, т,е. в прнсутствнн Мйэ+, АТФ расщепляется, высвобождая АДФ н фос(жт, только в случае прикрепления головки мнозннв к вктввнрующему белку-актвну. (В отсутствие актннв образующвйся АДФ не высвобождветсв, а блокирует нв несколько секунд квталнтнческнй центр мнозвна н, такам образом, дальнейшее расщепление АТФ.) В каждом цикле прнкрепцення-отделення поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, одна молекула на каждый мссгнк). Следовательно, чем больше мостиков находится в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ н сила, развиваемая мышцей; значит, этв скоросп (ннтенснвность метаболизма), как правило, пропорцяональнв силе, развиваемой мышцей.
Скорость мышечного сокращения тем выше, чем быстрее двнжутся поперечные мостика, т.е. чем больше «гребков» онн совершают в единицу времени. В результате быстрые мышцы потребляют в единицу времени больше н сохрвняют прн тоннческом налрюкеннв меньше АТФ (энергня), чем медленньж. Поэтому для поддержалня позы попользуются пренмущесгвенно мсдленвьге мышечные волокна (тнпа 1), богатые многлобннам, а для быстрых движений белные нм «белые» (тнпв ПВ) нлн светлые (тнпв ПА) волокна.
Механизм дейетввя АТФ. Механизм, с помощью которого донор энергии — молекула АТФ вЂ” обеспечивает перемещение поперечного мостика, интенсивно изучается [10, 13, 17). По-видимому, АТФ связывается с поперечным мостиком после завершения «гребкав„давая энергию для разделения юаимодействующих сократительных белков -латина и мнозина. Почти сразу же после этого миозиновые головки отделяются от актина, а АТФ расщепляется до АДФ и фосфата.
Продукты пгдролиза остаются на короткое время связанными с каталитическим центром, что необходимо для нового присоединения поперечного мостика к актину и следующего генерирующего силу «гребка», во время которого происходит высвобождение АДФ и фосфата. Затем для отделения поперечного мостика с ним долэкна связаться новая молекула АТФ и начинается новый цикл. Ритмичная активность поперечных мостиков, т.е.
циклы их прикрепления к актину и отсоединения от него, обеспечивающие мышечное сокращение, возможны только при гидролизе АТФ, а значит, при активации АТФазы. Если расщепление АТФ блокировано, мостики не могут прикрепляться к актину, ГЛАВА «МЫШЦА Электромехииическое еопрнжеиве 4.2. Регуляция мышечного сокращения Обычно мышца возбуждается при поступлении потенциалов действия от иннервнруюпптх мотонейронов; в результате передачи нозбуждения через нервно-мышечные синапсы (с. 51) генерируются мышечные потенциалы действия (непрямая стимуляция). Возможна и прямая стимуляция мьпцечных волокон, но только в экспериментальных условиях.
Например, при раздражении изолированной мышцы лягушки одиночным электрическим импульсом длительностью около 1 мс по мышечному волокну от места раздражения примерно через 1 — 2 мс со скоростью примерно 2 м/с будет распространяться потенциал действия, а еше через несколько миллисекунд оно сократится (рис.
4.3). Таким образом, сокращение вызывается потенциалом действия, т.е. возбуждением мембраны волокна. Таблица 4.«. Влияния АТФ на со«ратнтвльныв структуры мышечных волокон и на взаимодействие а«тнн-миоаин присутствует, расшеаамтса АТФаэсв АТФ: прасутствует„ вс «е рас«1еплмтса Составл«с мышечного волокна Поперечные мостики мпсзннв Ригидность Расслабленна Сс«рашенне Прикреплены к акпвну Отделены от актвна Чередование прикреплений н отделеннй Активна э' Ингпбярсвапа " АТФаэа 11 Пря тсвпе1прапвп Са1+ < Ю 7 М. н Прв а«все«трап«я Саэ примерно уп 1.
!О 1 М. сопротивление растяжению и сила мышечных волокон падают до нуля н мьшша расслаблнетсв. При гибели организма содержание АТФ в клетках снижается; когда оно переходит критический уровень, поперечные мостики остаются устойчиво прикрепленными к актиновой нити (пока не произойдет автолиз). Прн этом нити ватина н миозина прочно соединены друг с другом, н мышца находится в состоянии трупного окоченеюш (г(бог шогба). Анализ условий, обеспечиваюшнх сокращение, ригидность и расслабление (табл. 4.2), основан на изучении «изолированных сократнтельных систем» !191.
Чтобы выяснять роль АТФ в сокращении н расслабленна, Вебер н лр. (!9) сначала удаляли нз мыпхчнъп волокон весь энлсгенный АТФ (например, путем эастратнрсвання водным раствором глнцерола, что делает мембрану пропнцаемой для АТФ). Такие волокна рнгпдны, но прн погружения в раствор АТФ вновь приобретают мягкость н раствжпмссть. Однако, если активность АТФаэы подавлена, онн останутся расслабленными н, подобно упомянупсм выше пскусстаснным актомнознновым нитям, будут сокращаться только прп активации АТФаэы. Повторное подавление актнвностп АТФазы снова вызывает рмтлаблсннс этих «модельных волокон».
Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине клетки (электромеханнческое сопряжение) включает в себя несколько последовательных процессов (табл. 4.3), ключевую роль в которых играют ионы Са'+ (2а1. Локвлнзацвя н механизм действия Сат'. Инъекция Саэ' в мышечные волокна вызывает их сокрашение.
Интактные живые волокна гораздо меньше подходят для демонстрации прямого воздействия Саэ+ на мнофибриллы, чем те же волокна после удаления илн разрушения поверхностной клеточной мембраны. Для этого их либо «обдирают» («скнннруют») механически, либо обрабатывают детергентампу, либо используют упоминавшееся выше экстрагирование глнцеролом. Такие лишенные сарколеммы («скнннрованныеэу) мышечные волокна сокрашаются только при погружении в раствор, содержащий АТФ и по крайней мере 10 а М иолизиро«аннаев кальция для активации АТФазы.
В этих условиях поперечные мостики миозиновых нитей могут за счет постоянного расшеплення АТФ циклически взаимодействовать с актнновыми нитями. Если активируюший фактор Саэ+ удалить из среды (например, добавив связывающие его вещества), миофибриллы расслаблпютев, поскольку взаимодействие между поперечными мостиками и актином предотвращается, а значит, подавляется активность АТФазы (см. табл. 4.2). Такой эффект полностью обратим н в опытах с лишенными сарколеммы волокнами. На ступенчатое повышение концентрации Саэ+ от 10 "до 1О э М они реагируют постепенным увеличением силы сокращения и активности АТФазы, причем оба этих параметра достигают максимума при концентрации Саэ' 1О а — 10 э М.
Механвзм активации ионами кальпия мышечного волокна легче понять, рассмотрев струатуру актиновых нитей (рис. 4.4). Каждый такой филамент длиной около 1 мкм и толщиной 5-7 нм состоит нз двух закрученных одна вокруг другой цепочек мономеров актина толщиной 5 нм. Похожая структура получится, если взять две нити бус и скрутить их 74 ЧАСТЬ и. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Таблица 4.3. Этапы гвнврнрованып сокращения 1. Стимуляция мьнлечного волокна 2.
Потенциал действия (возбужденно мембраны) 3. Злектромеханнческое сопряженно в. Проведение возбуждения по Т-системе б. Высвобождение Свз з нз продольной системы (рнс. 4.5) в. Действие Свз' на мнофнбрнллы (рнс. 4.4) 4. Сокращение мнофнбрнлл: циклическая активность поперечных мостиков г — — 40 нм — э Антннавыр манамвр панин ропомиазин Миозиноввп ить Гаранин Антинавыь мамонов ропомиазин Рис. 4.4. Действие Свз* во время активации миофнбрнплы. А Антнновая и мнозиновая нити нв продольном сечении волокна.
Б. Онн жв на его поперечном сечении. Когда Саз~ свяэываетсп с тропоннном, тропомнозин попадает в желобок мезнду двумя мономерамн витина, обнажая участки прикрепления попвречных мостиков (по (131 с изменениями) в виде спирали по 14 бусин в каждом витке (рис. 4.4„А). Через регулярные промежутки примерно по 40 нм актнновые цепочки несут сферические молекулы трооонина, а в желобках между двумя цепочками лежат нити тропомиозина. Исследования с помощью ренттеноструктурного анализа (мало- угловое рентгеновское рассеяние) [13) показали, что в отсутствие Саз', т.е. при расслабленном состоянии миофибрилл, длинные молекулы тропомиозина располагаются так, что блокируют прикрепление поперечных миозиновых мостиков к актиновым нитям.
И напротив, под влиянием Саз молекулы тропомиознна глубже опускаются в желобки между цепочками мономеров актина,. открывая участки прикрепления для поперечных мостиков. В результате те прикрепляются к актиновым нитям (рнс. 4.4, б), расщепляется АТФ и развивается мышечная сила. Такой механизм активации обусловлен действием Саз' на тропоннн, который работает как о<кальциевый переключательж прн связывании с Саз+ его молекула деформируется таким образом, что как бы заталкннает тропомиозин в желобок между двумя цепочками актиновых мономеров, т.е.
в «активированное положение». Хранение н вышобождение ионов кальция. Расслабленная мышца содержит более 1 мкмоль Саз' на 1 г сырой массы. Если бы соли кальция не были изолированы в особых внутриклеточных хранилищах, обогащенные его ионамн мышечные волокна находились бы в состоянии непрерывного сокращения. Структура внутриклеточных систем хранения кальция в разных мышцах не вполне одинакова (скелетная мышца человека — рис.4.1; мышпа лягушки — рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
