1. Модель скользящих нитей
2. Молекулярный механизм сокращения
3. Регуляция взаимодействия актина и миозина
4. Коротко
5. Список использованной литературы

а) Модель скользящих нитей. Мышца сокращается в результате выдвижения пучков тонких и толстых филаментов относительно друг друга (по принципу телескопического — «шарикового» механизма); при удлинении мышечного волокна титиновая нить растягивается.

1. Сокращение саркомеров. Сокращение мышцы происходит благодаря изменению длины многочисленных саркомеров, которые последовательно друг за другом включены в миофибриллы (рис. ниже). Во время сокращения саркомера тонкие филаменты втягиваются между миозиновыми филаментами по направлению к М-линии (модель скользящих нитей).

Важно отметить, что при этом длина самих филаментов, толстых и тонких, не изменяется. Наблюдение за саркомером через микроскоп позволяет утверждать, что при его сокращении длина А-дисков остается постоянной (1,6 мкм), в то время как длина I-дисков и Н-зон уменьшается.

2. Растяжение саркомеров. Длина актиновых и миозиновых филаментов не изменяется и при растяжении миофибрилл. Чем больше тонкие филаменты выдвигаются из пучка толстых филаментов, тем значительнее уменьшается степень перекрывания филаментов; следовательно, I-диск и Н-зона расширяются (рис. выше).

Сцепление между толстыми и тонкими филаментами обеспечивают прежде всего титиновые тяжи, от которых зависит и эластичность мышцы. Растяжение титинового волокна создает пассивную силу, на долю которой приходится часть пассивного натяжения мышцы.

б) Молекулярный механизм сокращения. Сила, развиваемая при сокращении, возникает в результате циклического связывания миозиновых головок с актином, во время высвобождения энергии расщепления АТФ.

1. Функциональная роль поперечных мостиков. В процессе сокращения мышцы каждая миозиновая головка может прикрепляться (наподобие «поперечного мостика») к ближайшему актиновому филаменту. Процесс связывания и освобождения поперечного мостика имеет циклический характер и снабжается энергией, которую обеспечивает расщепление молекулы АТФ, соединенной с миозиновой головкой.

По-видимому, в каждом рабочем цикле поперечного мостика распадается одна молекула АТФ. Запуск рабочего цикла поперечного мостика, осуществляемый с участием донора энергии АТФ, схематично представлен на рис. 1.

2. Цикл поперечных мостиков. Считается, что после завершения рабочего цикла поперечного мостика молекула АТФ (в виде комплекса Mg-АТФ) остается прикрепленной к миозиновой головке (рис. 1). После этого миозиновая головка отсоединяется от актина (рис. 1). АТФ расщепляется до АДФ и фосфата (Ф_н), однако эти продукты остаются на короткое время связанными с каталитическим центром (рис. 1).

Гидролиз АТФ и сдвиг шарнирного соединения кпереди составляют необходимое условие подготовки к новому акту связывания миозиновой головки с актином. Поначалу миозин связывается с актином с низким сродством (рис. 1), затем сродство комплекса актин—миозин повышается (рис. 1) и происходит отщепление Ф_н.

Генерируется силовой акт, во время которого шарнирное соединение субфрагмента S-1 поворачивается и прикрепленный актиновый филамент «шагает» на 5-10 нм в направлении М-линии (рис. 1). При этом генерируется сила до ~4 пН (пиконьютонов). После отделения АДФ система возвращается к исходному состоянию и цикл поперечных мостиков может быть повторен.

3. Трупное окоченение. Если содержание АТФ в мышечной клетке падает до нуля (после наступления смерти), поперечные мостики не отсоединяются, а остаются прикрепленными; возникает «ригидный комплекс» (рис. 1). Такое прочное, необратимое сцепление филаментов актина и миозина (пока не произойдет автолиз) свойственно трупному окоченению — rigor mortis. Способность АТФ ослаблять либо замедлять развитие жесткости соединения получила название «размягчающее действие АТФ».

P.S. Частота циклов и активации АТФазы миозина. Рабочие циклы поперечных мостиков повторяются от ~10 до 100 раз в секунду в соответствии с частотой активации АТФазы миозина (частотой расщепления АТФ в единицу времени). В поперечно-полосатых мышцах присутствуют по крайней мере семь изоформ тяжелых цепей миозина, различающихся прежде всего АТФазной активностью. При более высокой активности возрастает число поперечных мостиков, активирующихся в единицу времени, а также мышечная сила и скорость укорочения мышцы.

Таким образом, между частотой расщепления АТФ и скоростью укорочения мышцы существует корреляция.

4. Преобразование деятельности поперечных мостиков в макроскопическое движение. При однократной активации поперечных мостиков саркомер укорачивается только два раза по 10 нм, т. е. на ~1% своей длины. Саркомер способен очень быстро укорачиваться на 0,4 мкм, т. е. на 20% от своей длины. Это возможно благодаря многократным последовательным гребковым движениям поперечных мостиков, причем каждый раз в новом месте вдоль актинового филамента.

В результате актиновые филаменты левой и правой половины саркомера подтягиваются навстречу друг к другу по направлению к М-линии (благодаря биполярному расположению миозиновых молекул; рис. выше).

Реализация этого механизма в тысячах саркомеров приводит к тому, что повторяющаяся активность поперечных мостиков (которая обычно не бывает синхронной) преобразуется в макроскопическое движение. Возникающее усилие распространяется к Z-пластинкам и периферическим частям клетки, а в конечном итоге — к сухожилиям и скелету.

5. Цикл поперечных мостиков при развитии силы без сокращения мышцы. При изометрическом сокращении длина мышцы не изменяется, несмотря на то что генерируется сила и совершается цикл поперечных мостиков. В этой ситуации миозиновые головки остаются постоянно прикрепленными к одним и тем же связывающим сайтам актиновых филаментов. Предполагается, что благодаря амортизационным свойствам последовательно соединенных эластичных филаментов накапливается механическая энергия в субфрагменте S-2.

в) Регуляция взаимодействия актина и миозина. Тропонин и тропомиозин регулируют активность поперечных мостиков посредством изменений концентрации ионов Са²⁺: при снижении [Са²⁺] взаимодействие актина и миозина ингибируется, при повышении активируется.

1. Роль ионов Са²⁺. Цикл поперечных мостиков не может продолжаться непрерывно даже при наличии достаточного количества АТФ; иначе мышцы все время находились бы в состоянии сокращения. Следовательно, изменения концентрации Са²⁺ в саркоплазме регулируют циклическую деятельность поперечных мостиков в миофибриллах. При очень низких значениях [Са²⁺] (порядка 10^-7 моль/л) регуляторные белки тропонин и тропомиозин, которые находятся в тонком филаменте (рис. 2), ингибируют генерацию силового акта («рабочего хода») поперечных мостиков; в первую очередь это относится к слабо прикрепленным миозиновым головкам.

Только после того, как прикрепление всех миозиновых головок ослабевает или они отсоединяются, происходит расслабление мышцы; она теряет силу и упругость. В том случае, когда [Са²⁺] повышается до 10^-6-10^-5 моль/л, миозиновые мостики прикрепляются к актину и развивают силу.

2. Тропонин функционирует как «кальциевый переключатель». Механизм активирующего действия Са²⁺ легче понять при рассмотрении структуры тонких филаментов (рис. 2). Филамент длиной ~1 мкм состоит из двух актиновых мономеров (толщиной по 5,5 нм), спирально переплетенных наподобие двух ниток бус; каждый виток спирали включает в себя две нити по семь «бусин». На актиновом филаменте через регулярные промежутки по ~40 нм располагаются комплексы из трех субъединиц тропонина (TnC, TnI, TnT).

Актиновую спираль обвивает тропомиозин в виде скрученного двойного тяжа, проходящего в желобке спирали между двумя мономерами актина.

При очень низком значении концентрации Са²⁺ комплекс TnI и TnT вместе с тропомиозином выполняет функцию ингибирования цикла поперечных мостиков (рис. 2). Повышение концентрации Са²⁺ в 10-100 раз сопровождается очень прочным связыванием Са²⁺ с TnC (рис. 2). Происходит изомеризация субъединицы TnI; это, в свою очередь, изменяет конформацию субъединицы TnT, связывающей тропомиозин.

В результате двойные тяжи тропомиозина опускаются в желобки спирали, образованной мономерами актина; для миозиновых головок открывается доступ к сайтам связывания с актином. Теперь регуляторные белки тонких филаментов находятся в позиции, способствующей быстрому образованию поперечных мостиков. В случае продолжающегося расщепления АТФ рабочий цикл поперечных мостиков повторяется. Происходит активация мышцы.

Описанный процесс обратим. При снижении [Са²⁺] в цитозоле до ~10^-7 моль/л рабочий цикл поперечных мостиков снова блокируется. И хотя при участии энергии АТФ поперечные мостики отсоединились от актина, они не могут снова переключиться, т. е. сделать гребковое движение. Мышца находится в расслабленном состоянии.

г) Коротко:

1. Механизм сокращения. При сокращении мышцы тонкие филаменты втягиваются в промежутки между толстыми филаментами, двигаясь по направлению к середине саркомера, причем длина филаментов не изменяется (модель скользящих нитей). В процессе взаимодействия миозиновых головок с актиновыми филаментами (рабочий цикл поперечных мостиков) генерируется усилие. Если мышцу растянуть, то филаменты снова выдвигаются (по аналогии с тем, как выдвигается труба телескопа!), а молекулы титина растягиваются.

2. Молекулярные основы. Активное развитие силы саркомеров обеспечивается благодаря молекулярному мотору — белку миозину II, обладающему свойствами АТФазы, а также наличию АТФ в качестве источника энергии. Для отсоединения поперечных мостиков между актином и миозином требуется связь АТФ с миозиновой головкой (такая связь препятствует трупному окоченению).

Взаимодействие актина и миозина регулируется концентрацией Са²⁺. При низкой концентрации Са²⁺ (10^-7 моль/ л) в саркоплазме расслабленной мышцы регуляторные белки тропонин и тропомиозин ингибируют рабочий цикл поперечных мостиков. При высокой концентрации (10^-6-10^-5 моль/л) Са²⁺ прочно связывается с тропонином С; изменяется конформация комплекса тропонин-тропомиозин и активируются поперечные мостики.

- Рекомендуем ознакомиться далее "Активация сокращения поперечно-полосатой мышцы - с точки зрения физиологии человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 17.10.2024