Механизмы мышечного сокращения
При световой микроскопии было замечено, что в момент сокращения ширина А диска не уменьшается, а I-диски и Н-зоны саркомеров суживаются. При электронной микроскопии было установлено, что длина нитей актина и миозина в момент сокращения не изменяется. Поэтому Хаксли и Хэнсон разработали теорию скольжения нитей. Согласно этой теории мышца укорачивается в результате движения тонких актиновых нитей в промежутки между миозиновыми. Это приводит к укорочению каждого саркомера, образующего миофибриллы. Скольжение же нитей обусловлено тем, что при переходе в актиновое состояние головки отростков миозина связываются с центрами актиновых нитей и вызывают их движение относительно себя (гребковые движения). Но это последний этап всего сократительного механизма.
Сокращение начинается с того, что в области концевой пластинки двигательного нерва возникает потенциал действия. Он с большой скоростью распространяется по сарколемме и переходит с нее по системе поперечных трубочек саркоплазматического ретикулума на продольные трубочки и цистерны. Возникает деполяризация мембраны цистерн и из них, в саркоплазму высвобождаются ионы кальция. На нитях актина расположены молекулы еще двух белков – тропонина и тропомиозина. При низкой (менее 10-8м) концентрации кальция, т.е. в состоянии покоя, тропомиозин блокирует присоединение мостиков миозина к нитям актина. Когда ионы кальция начинают выходить из саркоплазматического ретикулума, молекула тропонина изменяет свою форму таким образом, что освобождает активные центры актина от тропомиозина. К этим центрам присоединяются головки миозина, и начинается скольжение за счет ритмического прикрепления и разъединения поперечных мостиков с нитями актина. При этом головки ритмически продвигаются по нитям актина к Z-мембранам. Для полного сокращения мышцы необходимо 50 таких циклов. Передача сигнала от возбужденной мембраны к миофибриллам называется электромеханическим сопряжением. Когда генерация потенциала действия и мембранный потенциал возвращаются к исходному уровню, начинает работать Са-насос (фермент Са-АТФ-фазы). Ионы кальция вновь закачиваются в цистерны саркоплазматического ретикулума, и их концентрация падает ниже 10-8 м. Молекула тропонина приобретает исходную форму и тропомиозин вновь начинает блокировать актиновые центры актина. Головки миозина отсоединяются от них, и мышца за счет эластичности приходит в исходное расслабленное состояние.
Энергетика мышечного сокращения
Источником энергии для сокращения и расслабления служит АТФ. На головке миозина есть каталитические центры, расщепляющие АТФ до АДФ и неорганического фосфата, т.е. миозин является одновременно ферментом АТФ-азой. Активность миозина как АТФ-азы, значительно возрастает при его взаимодействии с актином. При каждом цикле взаимодействия актина с головкой миозина расщепляется 1 молекула АТФ. Следовательно, чем больше мостиков переходит в актиновое состояние, тем больше расщепляется АТФ, тем сильнее сокращения. Для стимуляции АТФ-азной активности миозина требуются ионы кальция, выделяющиеся из саркоплазматического ретикулума, которые способствуют освобождению активных центров актина от тропомиозина.
Однако запасы АТФ в клетке ограничены. Поэтому для восполнения запасов АТФ происходит ее восстановление – ресинтез. Он осуществляется анаэробным и аэробным путями. Процесс анаэробного ресинтеза осуществляется фосфогенной и гликолитической системами. Фосфогенная система использует для восстановления АТФ запасы креатинфосфата. Он расщепляется на креатин и фосфат, который с помощью ферментов переносится на АДФ (АДФЗ + ФН = АТФ). Фосфагенная система ресинтеза обеспечивает наибольшую мощность сокращения, но в связи с малым количеством креатинфосфата в клетке, она функционирует лишь 5-6 секунд сокращения. Гликолитическая система использует для ресинтеза АТФ анаэробное расщепление глюкозы (гликогена) до молочной кислоты. Каждая молекула глюкозы обеспечивает восстановление трех молекул АТФ. Энергетические возможности этой системы выше, чем фосфогенной, но и она может служить источником энергии сокращения лишь 0,5-2 минуты. При этом работа гликолитической системы сопровождается накоплением в мышцах молочной кислоты и снижением содержания кислорода. При продолжительной работе, с усилением кровообращения, ресинтез АТФ начинает осуществляться с помощью окислительного фосфорилирования, т.е. аэробным путем. Энергетические возможности окислительной системы значительно больше остальных. Процесс происходит за счет окисления углеводов и жиров. При интенсивной работе в основном окисляется углерод, при умеренной – жиры. Для расслабления также нужна энергия АТФ. После смерти содержание АТФ в клетках быстро снижается и когда становится ниже критической, поперечные мостики миозина не могут отсоединиться от актиновых нитей (до ферментативного аутолизма этих белков). Возникает трупное окоченение. АТФ необходима для расслабления потому, что обеспечивает работу кальциевого насоса.
Биомеханика мышечных сокращений
При нанесении на двигательный нерв или мышцу одиночного порогового или сверхпорогового раздражения, возникает одиночное сокращение. При его графической регистрации, на полученной кривой можно выделить три последовательных периода:
1. Латентный период. Это время от момента нанесения раздражения до начала сокращения. Его длительность около 1-2 мс. Во время латентного периода генерируется и распространяется потенциал действия, происходит высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума, взаимодействие актина с миозином и т.д.
2. Период укорочения (сокращения). В зависимости от типа мышцы (быстрая или медленная) его продолжительность от10 до 100 мсек. Это период от начала сокращения до максимального сокращения.
3. Период расслабления. Его длительность несколько больше, чем укорочения.
В режиме одиночного сокращения мышца способна работать длительное время без утомления, но его сила незначительна. Поэтому в организме такие сокращения встречаются редко, например, так могут сокращаться быстрые глазодвигательные мышцы. Чаще одиночные сокращения суммируются.
Суммация – это сложение двух последовательных сокращений при нанесении на мышцу двух пороговых или сверхпороговых раздражений, интервал между которыми меньше длительности одиночного сокращения, но больше продолжительности рефракторного периода, т.е. два раздражения попадает в фазу экзальтации.
Различают 2 вида суммации: полную и неполную суммацию. Неполная суммация возникает в том случае, если повторное раздражение наносится на мышцу, когда она начинает расслабляться. Полное возникает тогда, когда повторное раздражение действует до начала периода расслабления, т.е. конец периода укорочения. Амплитуда сокращения при полной суммации выше, чем неполной. Если интервал между двумя раздражениями еще больше уменьшить, например, нанести второе в середине периода укорочения, то суммации не будет, потому что мышца находится в состоянии рефрактерности (относительная рефракторная фаза).
Тетанус – это длительное сокращение мышцы, возникающее в результате суммации нескольких одиночных сокращений, развивающихся при нанесении на нее ряда последовательных раздражений. Различают 2 формы тетануса: зубчатый и гладкий.
Зубчатый тетанус наблюдается в том случае, если каждое последующее раздражение действует на мышцу, когда она уже начала расслабляться, т.е. наблюдается неполная суммация. Гладкий тетанус возникает тогда, когда каждое последующее раздражение наносится в конце периода укорочения, т.е. имеет место полная суммация отдельных сокращений. Амплитуда гладкого тетануса больше, чем зубчатого. В норме мышцы человека сокращаются в режиме гладкого тетануса. Зубчатый возникает при патологии, например, тремор рук при алкогольной интоксикации и болезни Паркинсона.
Влияние частоты и силы раздражения на амплитуду сокращения
Если постепенно увеличивать частоту раздражения, то амплитуда тетанического сокращения растет. При определенной частоте она станет максимальной. Эта частота называется оптимальной. Дальнейшее увеличение частоты раздражения сопровождается снижением силы тетанического сокращения. Частота, при которой начинается снижение амплитуды сокращения, называется пессимальной. При очень высокой частоте раздражения мышца не сокращается. Понятие оптимальной и пессимальной частот предложил Н. Е. Введенский. Он установил, что каждое раздражение пороговой или сверхпороговой силы, вызывая сокращения, одновременно изменяет возбудимость мышцы. Поэтому при постепенном увеличении частоты раздражения, действие импульсов все больше сдвигается к началу периода расслабления, т.е. фазе экзальтации. При оптимальной частоте все импульсы действуют на мышцу в фазе экзальтации, т.е. повышенной возбудимости. Поэтому амплитуда тетануса максимальна. При дальнейшем увеличении частоты раздражения, все большее количество импульсов воздействует на мышцу, находящуюся в фазе рефрактерности. Амплитуда тетануса уменьшается.