1. Сопряжение возбуждения и сокращения
2. Активация сокращения
3. Модуляция Са²⁺-чувствительности миофиламентов
4. Модуляция Са²⁺-чувствительности миофиламентов
5. Фармакомеханическое и электромеханическое сопряжение
6. Расслабление гладкой мускулатуры
7. Миогенное возбуждение
8. Миогенный тонус и миогенные ритмы
9. Механическая роль тонуса
10. Коротко
11. Список использованной литературы

а) Сопряжение возбуждения и сокращения. Тонус гладкой мускулатуры регулируется возбуждающими и тормозными сигналами, которые могут быть миогенными, механическими, нейрогенными или гуморальными. Интеграция влияния внеклеточных сигналов в клетке осуществляется сетью медиаторов (и вторичных посредников).

1. Регуляция мышечного тонуса. Тонус гладких мышц регулируется по-разному:
- пейсмекерными клетками (миогенный тонус) (см. далее);
- механическим растяжением (см. далее);
- медиаторами вегетативной (автономной) нервной системы;
- гормонами, циркулирующими в крови, и многочисленными тканевыми гормонами;
- локальными метаболитами, прежде всего в кровеносных сосудах;
- веществами, высвобождаемыми эндотелием.

Нейромедиаторы и гормоны связываются со специфическими рецепторами (которые различны для конкретных гладкомышечных клеток) и таким образом активируют внутриклеточные каскады передачи сигнала.

В зависимости от типа рецептора и внутриклеточных сигнальных каскадов, запускаемых при его активации, гормон или нейромедиатор может опосредовать эффект сокращения или расслабления (например, норадреналин способен вызывать сокращение при взаимодействии с α₁-адренорецепто-рами, но обеспечивает расслабление, если связывается с β₂-адренорецепторами).

2. Внутриклеточные сигнальные каскады. Так же как при возбуждении скелетных мышц, активация гладкой мышцы определяется повышением концентрации Са²⁺ в цитоплазме клетки.

Однако циклическая деятельность миозиновых поперечных мостиков и тонус гладкой мускулатуры могут регулироваться не только внутриклеточной концентрацией Са²⁺.

Тормозный либо активирующий характер поступающего входного сигнала значительно больше зависит от сети внутриклеточной передачи сигналов, состоящей из вторичных посредников, таких как Са²⁺, цАМФ, цГМФ, а также ряда протеинкиназ (например, Rho-киназы и протеинкиназы С).

Именно в этой сети внутриклеточной передачи происходит «вычисление» и «смысловая интеграция» различных исходных сигналов.

б) Активация сокращения. Активность поперечных мостиков миозина в гладких мышцах запускается в результате фосфорилирования легких цепей миозина; степень фосфорилирования регулируется Са²⁺-активированной киназой легких цепей миозина и фосфатазой миозина.

1. Фосфорилирование легких цепей миозина. Поскольку гладкие мышцы не содержат Са²⁺-связывающий белок тропонина, запуск рабочего цикла поперечных мостиков осуществляется не с помощью аллостерического механизма, а в результате ковалентной модификации, а именно Са²⁺-зависимого фосфорилирования регуляторных легких цепей миозина (рис. 1).

Фосфорилирование миозина регулируется двумя разнонаправленно действующими ферментами — Са²⁺-активируемой киназой легких цепей миозина MLCK (myosin light chain kinase) и специфической фосфатазой легких цепей миозина MLCP (myosin light chain phosphatase).

Последующее развитие напряжения гладкой мышцы (тонус) зависит от количества фосфорилированных глобулярных головок легких цепей миозина (рис. 1). При этом гладкая мышца часто остается в переходном состоянии механического напряжения и фосфорилирования, поскольку реакции фосфорилирования и дефосфорилирования находятся в динамическом равновесии (рис. 2).

Если преобладает активность MLCK, то возрастают количество фосфорилированного миозина и мышечный тонус; если же преобладает активность MLCP, то происходит дефосфорилирование миозина и мышечный тонус снижается, т. е. наступает расслабление.

2. Активация MLCK ионами Са²⁺. Если при возбуждении гладкой мышцы концентрация Са²⁺ в цитоплазме достигнет ~10^-6 М, то Са²⁺ связывается с кальмодулином (4 моля Са²⁺/1 моль кальмодулина), вследствие чего изменяется конформация этого белка. Комплекс Са²⁺ — кальмодулин взаимодействует с MLCK (рис. 1).

Возникает активный комплекс Са²⁺ — кальмодулин — MLCK, который опосредует передачу фосфатной группы от АТФ регуляторным легким цепям миозина. Фосфорилированный миозин взаимодействует с актином; при расщеплении АТФ сформировавшиеся поперечные мостики совершают свой рабочий цикл подобно тому, как это происходит в скелетной мышце, только гораздо медленнее.

P.S. Тонические сокращения. При длительных тонических сокращениях скорость фосфорилирования миозина несколько снижается, но мышечный тонус может сохраняться, поскольку дефосфорилированные поперечные мостики теряют способность отсоединяться от актина. Одновременно резко уменьшается частота рабочих циклов поперечных мостиков, благодаря чему обеспечивается значительная экономия энергии.

Такое экономное состояние тонического сокращения получило название феномена «защелки» (latch). Механизм длительного закрепления поперечных мостиков пока не выяснен. Возможно, связывание дефосфорилированных поперечных мостиков с актином регулируют белки кальдесмон и/или кальпонин.

в) Модуляция Са²⁺-чувствительности миофиламентов. Активность фосфатазы легких цепей миозина (MLCP) и киназы легких цепей миозина (MLCK) регулируется различными сигнальными каскадами, не зависящими от Са²⁺. При этом модулируется чувствительность миофиламентов к Са²⁺.

1. Чувствительность к Са²⁺. При нейрогуморальной стимуляции гладкой мускулатуры дополнительно регулируется способность миофиламентов взаимодействовать с Са²⁺ (Са²⁺-чувствительность). Мерой Са²⁺-чувствительности служит концентрация Са²⁺, вызывающая сокращение, сила которого составляет 50% от максимальной силы.

При высокой Са²⁺-чувствительности сокращение такой силы наблюдается под влиянием гораздо более низкой концентрации Са²⁺, чем при низкой Са²⁺-чувствительности. Повышение Са²⁺-чувствительности является следствием более низкой активности MLCP, при которой возрастает количество фосфорилированного миозина.

В такой ситуации укорочение сократительных белков возникает при существенно более низкой миоплазматической концентрации Са²⁺, чем в условиях высокой активности MLCP. Следовательно, здесь можно говорить о сенситизации к Са²⁺. Напротив, повышение активности MLCP, опосредованное циклическими нуклеотидами, или подавление MLCK (например, через посредство СаМ-киназы II) сопровождается десенситизацией к Са²⁺.

2. Сигнальные каскады, обеспечивающие сен-ситизацию к Са²⁺. Механизмы, ответственные за снижение активности MLCP, пока не вполне выяснены. По-видимому, активность MLCP подавляется протеинкиназой С и сигнальным каскадом Rhо/Rhо-киназы (рис. 2). Эти сигнальные каскады начинают действовать, когда медиаторы вегетативной нервной системы, а также циркулирующие или местные гормоны (ангиотензин II, вазопрессин, окситоцин, серотонин) путем связывания со специфичными белками клеточной мембраны активируют гетеротримерные G-белки семейств Gα_q,11 или GaGα_12,13.

Со своей стороны эти G-белки активируют фосфатазу С и/ или мономерную Rho-ГТФазу (рис. 2).

3. Фосфолипаза С расщепляет фосфолипид клеточной мембраны PIP₂ на IP₃ и диацилглицерол (DG). IP3 высвобождает Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума, в то время как DG активирует протеинкиназу. Протеинкиназа С фосфорилирует CPI-17, который в качестве фосфопротеина тормозит MLCP.

Мономерная Rho-ГТФаза относится к суперсемейству Ras-подобных ГТФаз. Так же как другие гетеротримерные G-белки, Rho-ГТФаза совершает циклические переходы между ГДФ-связанным (неактивным) и ГТФ-связанным (активным) состояниями. Активный Rho, в свою очередь, активирует Rho-киназу, которая фосфорилирует регуляторную субъединицу MLPC, вследствие чего ее активность снижается.

В результате этих процессов нейрогуморальные агонисты вызывают сокращение гладких мышц не только посредством высвобождения Са²⁺ и активации MLCK, но и путем подавления активности MLCP.

4. Сигнальные каскады, обеспечивающие десенситизацию к Са²⁺. При активации сигнальных каскадов, инициирующих расслабление гладкой мускулатуры, в миоплазме может увеличиваться концентрация цАМФ (например, при стимуляции соответствующих рецепторов адреналином, простациклином или аденозином) либо концентрация цГМФ (эффект оксида азота). Циклические нуклеотиды активируют соответствующие протеин-киназы (протеинкиназу А или G) (рис. 2).

Как правило, в результате снижается, во-первых, мио-плазматическая концентрация Са²⁺ и, во-вторых, Са²⁺-чувствительность. Последний эффект основан на том, что цГМФ/ПКG и, вероятно, цАМФ/ПКА повышают активность MLCP. В итоге возрастает количество дефосфорилированного миозина и гладкая мышца расслабляется даже в случае высокой концентрации Са²⁺.

P.S. Каким образом циклические нуклеотиды повышают активность MLPC, пока не выяснено. С одной стороны, обсуждается возможность выключения пути Rho-Rho-киназы. С другой стороны, в экспериментах in vitro показано, что ПКА может снижать Са²⁺-чувствительность посредством торможения MLCK. Однако в свете новых научных данных вопрос о том, действует ли этот механизм в живом организме, кажется спорным.

Тем не менее он представляет интерес, поскольку с исторической точки зрения это первый пример регуляции Са²⁺-чувствительности. Торможение MLCK может также вызывать Са²⁺-активированная СаМ-киназа II; отсюда следует предположение, что Са²⁺ может лимитировать активацию MLCK.

P.S. Спастические сокращения коронарных сосудов:

- Симптомы. Спастические сокращения коронарных сосудов, особенно если они уже сужены вследствие атеросклероза, могут инициировать приступ стенокардии. Такой приступ характеризуется внезапными сильными загрудинными болями с иррадиацией в левую руку.

- Лечение. Используются сосудорасширяющие препараты: Са²⁺-антагонисты, снижающие миоплазматическую концентрацию Са²⁺, или нитраты, которые повышают содержание цГМФ. Появились сведения о возможности патологического повышения активности Rho-киназы. Проводятся клинические испытания терапевтического применения ингибиторов Rho-киназы.

г) Содержание Са²⁺ в гладкомышечных клетках. Концентрация Са²⁺ в миоплазме определяется ионными токами в саркоплазматическом ретикулуме и в клеточной мембране.

- Механизмы транспорта Са²⁺. Концентрацию Са²⁺ в миоплазме регулируют различные структуры. На рис. 3 представлены механизмы транспорта Са²⁺, которые обеспечивают повышение или снижение миоплазматической концентрации Са²⁺. Это Са²⁺-каналы клеточной мембраны и СР, Na⁺/Са²⁺-обмен, а также Са²⁺-насосы клеточной мембраны и СР, зависимые от энергии расщепления АТФ.

Опосредованно участвуют К⁺-каналы и Na⁺/K⁺-АТФаза. которые влияют на уровень мембранного потенциала и тем самым определяют открывание потенциалзависимых Са²⁺-каналов клеточной мембраны.

В расслабленной мышечной клетке (в состоянии покоя) концентрация Са²⁺ может достигать ~10^-7 моль/л. При возбуждении гладкомышечной клетки концентрация Са²⁺ в миоплазме повышается до ~10^-6 моль/л в результате его поступления из межклеточного пространства, а также высвобождения из СР. После латентного периода (длящегося ~300 мс) возникает реакция сокращения. Латентный период здесь более длительный, чем в скелетной мышце, так как активация рабочего цикла поперечных мостиков происходит медленнее, в несколько этапов.

д) Фармакомеханическое и электромеханическое сопряжение. Существует два механизма сопряжения возбуждения и сокращения: фармакомеханическое и электромеханическое. Отчасти они перекрывают друг друга.

1. Фармакомеханическое сопряжение. Такое сопряжение осуществляется фармацевтическими препаратами, нейромедиаторами или гормонами; первоначально они не оказывают влияние на мембранный потенциал или вызывают лишь очень небольшое его изменение. Однако в результате взаимодействия агониста с мембранными рецепторами открываются лигандуправляемые (рецепторактивируемые) Са²⁺-каналы клеточной мембраны и в миоплазму входит Са²⁺ из внеклеточного пространства.

Кроме того, образуется внутриклеточный медиатор (мессенджер) инозитолтрифосфат (IP3) (см. выше), который высвобождает Са²⁺ из СР (рис. 3).

P.S. В случае фармакомеханического сопряжения прирост миоплазматической концентрации Са²⁺, обеспечиваемый IP₃, часто бывает кратковременным, а затем концентрация Са²⁺ падает до более низкого уровня. Однако мышечная сила удерживается на прежнем уровне либо уменьшается, но незначительно; при этом концентрация Са²⁺ не снижается благодаря процессам Са²⁺-сенситизации миофиламентов (см. выше).

2. Электромеханическое сопряжение. Движущей силой для повышения внутриклеточной концентрации Са²⁺ являются потенциалы действия либо продолжительная деполяризация плазматической мембраны (рис. 3). В результате воздействия этих факторов открываются потенциалзависимые Са²⁺-каналы, через которые ионы Са²⁺ входят из внеклеточного пространства в миоплазму.

Изменение мембранного потенциала имеет миогенную либо нейрогенную природу и может блокироваться антагонистами Са²⁺ (блокаторами Са²⁺-каналов) или агонистами K⁺ (соединениями, образующими селективные К⁺-каналы).

P.S. Гладкие мышцы различаются по электрической возбудимости. Например, гладкомышечные клетки кишечника и некоторых кровеносных сосудов обладают спонтанной активностью (пейсмекерные клетки), тогда как гладкие мышцы других органов вообще лишены электрической возбудимости.

3. Зависимость мембранного потенциала от К⁺-каналов. В гладкомышечных клетках резистивных (прекапиллярных) сосудов К⁺-каналы опосредуют регуляцию мембранного потенциала, составляющего от -40 до -60 мВ. При открывании К⁺-каналов клеточная мембрана гиперполяризуется; в результате закрываются потенциалзависимые Са²⁺-каналы и сосуды расширяются. Ингибирование активности К⁺-каналов, напротив, сопровождается деполяризацией мембраны, открыванием потенциалзависимых Са²⁺-каналов и сужением сосудов.

При сдвиге мембранного потенциала всего лишь на 3 мВ в сторону гиперполяризации или деполяризации вход Са²⁺ через потенциалзависимые Са²⁺-каналы уменьшается или увеличивается (соответственно) приблизительно в 2 раза. Таким образом даже небольшие изменения мембранного потенциала существенно влияют на диаметр сосудов и, следовательно, на кровообращение в органах и кровяное давление в организме.

P.S. Типы К⁺-каналов. Пока в гладкомышечных клетках обнаружено 4 типа К⁺-каналов. Два типа, К_Ca-каналы и К_АТФ-каналы, открываются под влиянием агонистов, повышающих уровень цАМФ или цГМФ в миоплазме. К_Ca-каналы, которые также активируются при высокой внутриклеточной концентрации Са²⁺, вероятно, ограничивают спазм сосудов, вызываемый растяжением (эффект Бейлиса).

К_АТФ-каналы участвуют в расширении резистивных сосудов, возникающем вследствие накопления продуктов метаболизма при интенсивной деятельности органов.

е) Расслабление гладкой мускулатуры. Гладкие мышцы расслабляются при дефосфорилировании миозина. Это происходит, когда прекращается электрическая или нейрогуморальная активность, а также когда агонисты тормозных рецепторов вызывают гиперполяризацию плазматической мембраны или повышают внутриклеточный уровень цАМФ либо цГМФ.

1. Дефосфорилирование миозина. Для расслабления гладкой мускулатуры должно произойти дефосфорилирование миозина. При снижении концентрации Са²⁺ в миоплазме комплекс Са²⁺-кальмодулин-MLCK диссоциирует на неактивные компоненты. Под действием фосфатазы миозина дефосфорилируются регуляторные легкие цепи миозина. Рабочий цикл поперечных мостиков прекращается.

Концентрация Са²⁺ в миоплазме всегда падает при прекращении возбуждающей либо нейрогуморальной активности, гиперполяризации клеточной мембраны под влиянием агонистов тормозных рецепторов, а также удалении Са²⁺ из миоплазмы посредством транспортных процессов (рис. 3).

2. Циклические нуклеотиды. Гормоны и нейромедиаторы, которые через посредство Gα_s- белка активируют фермент аденилатциклазу или высвобождают оксид азота (NO) из эндотелия и некоторых вегетативных нервов, вызывают расслабление гладких мышц. Поскольку одновременно в миоплазме повышается концентрация циклических нуклеотидов цАМФ или цГМФ, это явление называют активным расслаблением. Оба циклических нуклеотида обеспечивают дефосфорилирование миозина и расслабление гладкой мускулатуры в результате Са²⁺-десенситизации.

Вместе с тем эти нуклеотиды снижают концентрацию Са²⁺ в миоплазме путем воздействия на различные мишени — К⁺-каналы, а также Са²⁺-насосы саркоплазматического ретикулума, активность которых возрастает благодаря фосфорилированию регуляторного белка фосфоламбана.

ж) Миогенное возбуждение. Многие гладкомышечные клетки проявляют спонтанную активность; миогенное возбуждение, генерируемое пейсмекерными клетками, передается через щелевые контакты (нексусы) на другие гладкомышечные клетки.

1. Потенциалы пейсмекерных клеток. Потенциалы действия возникают в гладкомышечных клетках унитарного типа аналогично тому, как генерируется миогенная активность в пейсмекерных клетках миокарда. Эти клетки отличаются от других мышечных клеток не структурой, а электрофизиологическими характеристиками. Потенциалы пейсмекерных клеток (препотенциалы) деполяризуют мембрану до порогового уровня, тем самым вызывая потенциалы действия (спайки), которые распространяются по гладкой мускулатуре благодаря Са²⁺-каналам, а не Na⁺-каналам.

В результате входящих Са²⁺-токов мембрана сначала деполяризуется, а затем в течение нескольких миллисекунд реполяризуется до 20 мВ. За реполяризацией следует препотенциал, который вновь вызывает разряд потенциалов действия (рис. 4). Препараты-антагонисты Са²⁺ (например, нифедипин) могут блокировать Са²⁺-каналы L-типа, обеспечивающие эти потенциалы действия, и таким образом подавлять сокращения.

2. Щелевые контакты. Через низкоомные щелевые контакты, или нексусы (gap junctions), деполяризация может электротонически распространяться от возбужденной клетки к соседней. Когда в результате местного тока, поступающего через щелевой контакт, деполяризация мембраны соседней клетки достигнет порогового уровня, в ней возникнет потенциал действия (импульс), который может вызвать возбуждение других электротонически сопряженных мышечных клеток.

з) Миогенный тонус и миогенные ритмы. Импульсный разряд вызывает сокращение гладких мышц, его интенсивность зависит от частоты потенциалов действия и ритмически флуктуирует; миогенный мышечный тонус модулируется вегетативной (автономной) нервной системой.

1. Миогенный тонус. Разряды потенциалов действия вызывают сокращение (миогенный тонус), который можно сравнить с тетанусом (рис. 4). Интенсивность сокращения зависит от частоты потенциалов действия. Спонтанная активность пейсмекерных клеток модулируется вегетативной нервной системой. В кишечнике ацетилхолин повышает частоту потенциалов действия, в то время как под влиянием адреналина и норадреналина частота снижается, поскольку эти вещества гиперполяризуют клеточную мембрану. Таким образом нейромедиаторы ацетилхолин и норадреналин модулируют миогенный тонус мускулатуры кишечника.

2. Ритмические колебания тонуса. Благодаря спонтанным изменениям активности пейсмекерных клеток периодически возникают ритмические колебания миогенного тонуса. Продолжающаяся в течение нескольких секунд или минут деполяризация мембраны пейсмекерных клеток (медленная волна) прекращается, когда ее амплитуда достигнет порога активации потенциалзависимых Са²⁺-каналов. В результате генерируется импульсный разряд («кальциевые спайки»), который приводит к сокращению. Далее следует пауза, пока очередной разряд потенциалов действия не вызовет следующее сокращение (рис. 4).

3. Органоспецифичные базальные ритмы. Механизм возникновения миогенных ритмов не вполне ясен. Они ассоциируются с конкретной функцией органов: ритмические изменения кровяного давления (частота 6/мин), перистальтика желудка (3/мин) и сегментарные сокращения тонкого кишечника (12/мин в двенадцатиперстной кишке).

P.S. Синдром раздраженного кишечника. К наиболее распространенным патологиям желудочно-кишечного тракта относится синдром раздраженного кишечника, при котором нарушается его сократительная способность. Вероятно, в ее основе лежит дисфункция клеток водителя ритма кишечника, обеспечивающих миогенный тонус.

и) Механическая роль тонуса. При механическом растяжении некоторых гладких мышц может происходить активное повышение их тонуса; другие гладкие мышцы при растяжении ведут себя пассивно, т. е. после первоначального повышения за счет эластичности мышц напряжение снова снижается.

1. Механическое растяжение. При усиливающемся растяжении спонтанно активных мышц возрастает деполяризация пейсмекерных клеток и, следовательно, повышается частота потенциалов действия. Как говорилось выше, при более высокой частоте импульсного разряда сокращение усиливается. Сокращение, активируемое растяжением (эффект Бейлиса), играет важную роль в местной саморегуляции артериол.

2. Снятие напряжения. Другие гладкие мышцы ведут себя при растяжении пассивно, как пластичные или вязкоэластичные тела: мышечное напряжение в начале возрастает, затем при сохранении постоянной длины мышцы вновь снижается (снятие напряжения), вначале быстро, затем все медленнее. Благодаря свойству пластичности гладкая мышца может быть полностью расслаблена как в укороченном, так и в растянутом состоянии. Например, пластическая упругость мочевого пузыря при его заполнении препятствует чрезмерному повышению внутреннего давления.

к) Коротко. Регуляция сокращения гладкой мускулатуры. Тонус гладкой мускулатуры обусловлен следующими факторами: поступающими от пейсмекерных клеток потенциалами действия (электромеханическим сопряжением); медиаторами вегетативной нервной системы; циркулирующими гормонами, а также многочисленными тканевыми гормонами с их специфическими мембранными рецепторами (фармакомеханическим сопряжением); механическим растяжением.

При активации сокращения гладких мышц ионы Са²⁺ входят в миоплазму через потенциалзависимые или лигандуправляемые Са²⁺-каналы клеточной мембраны и Са²⁺-каналы СР. Ионы Са²⁺ связываются с кальмодулином; комплекс Са²⁺-кальмодулин активирует киназу легких цепей миозина, которая фосфорилирует легкие цепи миозина; гладкая мышца сокращается. Наряду с этими процессами при нейрогуморальной активации, происходящей посредством ПКС и Rho-киназы, а также ингибирования MLCP, повышается чувствительность к Са²⁺.

При расслаблении гладких мышц легкие цепи миозина дефосфорилируются и ионы Са²⁺ удаляются из миоплазмы путем обмена Na⁺/Ca²⁺, а также благодаря Са²⁺-насосам клеточной мембраны и СР. Расслабление мышцы может происходить за счет агонистов, которые повышают в мышечных клетках уровень цАМФ либо цГМФ. В результате падает миоплазматическая концентрация Са²⁺ и снижается чувствительность к Са²⁺.

- Вернуться в раздел "Физиологии человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 17.10.2024