БХ
.pdfвелико не только в структурном, но и функциональном плане. К этим тканям относятся сухожилия, хрящи, кости, кожа и стенки крупных кровеносных сосудов. Рыхлая и плотная волокнистые неоформленные соединительные ткани, образованные в основном фибробластами и коллагеновыми волокнами, играет важную роль в обеспечении среды, в которой кислород и питательные вещества диффундируют из капилляров в клетки, а углекислый газ и продукты обмена веществ диффундируют из клеток в кровоток. Рыхлая волокнистая неоформленная соединительная ткань встречается в подкожной жировой клетчатке, кровеносных сосудах, строме паренхиматозных органов и оболочках слоистых органов. Плотная волокнистая оформленная соединительная ткань имеет более структурированное строение и является основным функциональным компонентом сухожилий, связок, а также находится в некоторых органах, например, роговице.
Функции соединительной ткани:
1.Механическая, опорная и формообразующая функции (образуют капсулы и оболочки многих органов и др.);
2.Защитная (наружная – фасции, хрящи и кости, внутренняя – фагоцитоз и выработка иммунных веществ);
3.Трофическая (обмен веществ и поддержание гомеостаза внутренней среды организма) и пластическую функцию (регенерация, заживление ран).
Клеточные элементы соединительной ткани:
Фибробласты - самые распространенные клетки соединительной ткани у животных. производят коллаген и эластин, а также другие вещества внеклеточного матрикса, способны делиться. В эмбриогенезе фибробласты происходят из стволовых клеток мезенхимного происхождения. Играют важную роль в заживлении ран, основной функцией является синтез компонентов межклеточного вещества: белков (коллагена и эластина), которые формируют волокна протеогликанов и гликопротеинов основного аморфного вещества. Созревая, фибробласты превращаются в фиброкласты - клетки, способные поглощать и переваривать межклеточный матрикс; к делению не способны.
Меланоциты - сильно разветвлѐнные клетки, содержащие меланин, присутствуют в радужной оболочке глаз и коже;
Макрофаги - клетки, поглощающие болезнетворные организмы и отмершие клетки ткани, чужеродные частицы. Помимо усиления воспаления и стимуляции иммунной системы, макрофаги также играют важную противовоспалительную роль и могут снижать иммунные реакции за счет высвобождения цитокинов. Макрофаги, которые стимулируют воспаление, называются макрофагами М1, тогда как те, которые уменьшают воспаление и стимулируют восстановление тканей, называются макрофагами М2.
Эндотелиоциты - окружают кровеносные сосуды, производят внеклеточный матрикс и продуцируют гепарин;
Тучные клетки, или тканевые базофилы — это иммунные клетки соединительной ткани. Продуцируют метахроматические гранулы, которые содержат гепарин и гистамин. Тучные клетки участвуют
вразвитии воспаления, реакций гиперчувствительности первого (немедленного) типа, защите организма от многоклеточных паразитов идругих патогенов, формировании гематоэнцефалического барьера и других процессах. Тучные клетки лежат в основе развития аллергии и анафилаксии. Тучные клетки присутствуют в большинстве тканей и, как правило, располагаются вблизи сосудов и нервов. Они особенно многочисленны в тканях, залегающих на границе организма с внешней или внутренней средой. Они сконцентрированы под кожей, вокруг лимфатических узлов и кровеносных сосудов, в селезѐнке и красном костном мозге.
Мезенхимные клетки - клетки эмбриональной соединительной ткани.
Межклеточное вещество соединительной ткани
Желеобразная консистенция основного вещества объясняется его составом. Основное вещество
— это сильно гидратированный гель, который образован высокомолекулярными соединениями, составляющими до 30 % массы межклеточного вещества. Оставшиеся 70 % — это вода.
Высокомолекулярные компоненты представлены белками и углеводами. Углеводы по своему строению являются гетерополисахаридами - глюкозоаминогликаны (ГАГ). Эти гетерополисахариды построены из дисахаридных единиц, которые и являются их мономерами.
КОЛЛАГЕН
Коллаген - гликопротеин, фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани организма и обеспечивающий еѐ прочность и эластичность. Коллаген самый распространѐнный белок у
171
млекопитающих, составляющий от 25 % до 45 % белков во всѐм теле. Особенности структуры коллагена:
•пептидная цепь коллагена содержит около 1000 аминокислотных остатков, из которых каждая третья аминокислота — глицин, 20% составляют пролин и гидроксипролин, 10% — аланин, 1% - гидроксилизин, оставшиеся 40% — другие аминокислоты;
•первичная структура коллагена — это повторяющиеся участки глицинпролингидроксипролин;
•при формировании вторичной структуры полипептидная цепь коллагена укладывается в более развернутую левозакрученную спираль;
•третичная структура коллагена — это правозакрученная суперспираль из 3 сс-цепей, при
формировании которой остаток глицина оказывается в ее центре, что способствует образованию линейной молекулы тропоколлагена с последующим включением ее в волокно.
Синтез и созревание коллагена представляют собой сложный многоэтапный процесс, который начинается в клетке, а завершается во внеклеточном пространстве. Он включает в себя ряд посттранс-
ляционных изменений:
1)Гидроксилирование пролина и лизина. Гидроксипролин и гидроксилизин не включаются в состав полипептидной цепи коллагена в процессе биосинтеза коллагена,а образуются с участием ферментов соответственно пролингидроксилазы и лизингидроксилазы, а также с участием аскорбиновой кислоты после включения пролина и лизина в полипептидную цепь. Указанные ферменты содержат в активном центре атом железа (Fе2+). Аскорбиновая кислота выполняет роль восстановительного агента. Остатки гидроксипролина придают структуре дополнительную стабильность за счет образования большого количества внутримолекулярных водородных связей (для этого используются окружающие молекулы воды). В отсутствие аскорбиновой кислоты коллаген оказывается негидроксилированным и поэтому не может образовать нормальные по структуре коллагеновые волокна, что приводит к поражению кожи
иломкости сосудов.
2)Гликозилирование гидроксилизина (к оксигруппам О-гликозидной связью присоединяются галактоза или 2О-3-глюкопиранозил-О-3-β-галактопираноза, реакцию катализируют УДФгалактоза-кол- лагенгалактозилтрансфераза и УДФ-глюкозаколлагенглюкозилтрансфераза), отщепление N- и С-кон- цевых пептидов.
Распад коллагена
Тканевая коллагеназа синтетизируется клетками соединительной ткани и присутствует у человека в различных органах и тканях. Это металлозависимый фермент, содержит Zn2+ в активном центре, и активность его определяется действием активаторов (калликреин, плазмин) и ингибиторов. Коллагеназа высокоспецифична и перерезает тройную спираль на ¼ расстояния от С-конца. Распад коллагена
– единственный источник свободного гидроксипролина в организме, поэтому содержание гидроксипролина в крови и моче отражает баланс скорости катаболизма коллагена. У взрослого человека экскретизируется 15-50 мг гидроксипролина в сутки, при поражении соединительной ткани, например при гиперпаратироидизме с мочой выделяется до 1 г в сутки.
Коллагенозы
Коллагенозы (коллагеновые болезни) – группа заболеваний, объединенных однотипными функци- онально-морфологическими изменениями со стороны соединительной ткани (главным образом, коллагенсодержащих волокон): общего патоморфологического признака (фибриноидного изменения коллагена) и патогенетического механизма (нарушения иммунного гомеостаза). Коллагенозы – иммунопатологические процессы, характеризующиеся системной дезорганизацией соединительной ткани, полисистемным поражением, прогрессирующим течением и полиморфными клиническими проявлениями. К числу коллагенозов принято относить ревматоидный артрит, ревматизм, системную красную волчанку, системную склеродермию, узелковый периартериит и др.
ЭЛАСТИН
Эластин – белок, входящий в состав эластических волокон. Он отличается от коллагена по химическому составу и молекулярной структуре. Общим для коллагена и эластина является большое содержание глицина и пролина, наличие гидроксипролина, хотя последнего в эластине примерно в 10 раз меньше, чем в коллагене. В эластине нетгидроксилизина, но много лизина. При ферментативном гидролизе эластина в гидролизате обнаруживаются десмозин и изодесмозин. Десмозин образуется из боковых цепей (радикалов) остатков лизина. В образовании одной молекулы десмозина или изодесмозина участвуют радикалы четырех остатков лизина, образующие пиридиновое кольцо. Таким путем
172
две, три или четыре полипептидные цепи эластина могут объединяться в системы, способные обратимо растягиваться во всех направлениях.
Эластин синтезируется в фибробластах в виде предшественника – тропоэластина. Он растворим и не содержит поперечных связей. В последующем тропоэластин превращается в нерастворимый эластин, содержащий большое количество поперечных связей. Эластические волокна, состоящие из эластина, обладают способностью растягиваться несколько раз в длину, а при снятии нагрузки быстро восстанавливают исходную форму и размер. Эластин находится в больших количествах в стенках кровеносных сосудах и в связках. Катаболизм эластина происходит при участии эластазы нейтрофилов. Особое значение это имеет в легких. Поскольку легочная ткань не регенерирует, разрушение эластина в альвеолярных стенках ведет к потере эластичных свойств и развитию энфиземы легких. В норме это не происходит, так как такие протеазы, как эластаза ингибируется белком α-антитрипсином (α-АТ). При дефиците α-АТ, который может быть следствием различных мутаций в гене этого белка, повышается риск развития энфиземы легких.
82. Межклеточный матрикс соединительной ткани. Гликозаминогликаны и протеогликаны: характеристика их полисахаридных групп. Гиалуроновая и хондроитинсерная кислоты, их функции. Образование и катаболизм протеогликанов. Роль гиалуронидазы в метаболизме основного вещества соединительной ткани. Нарушения обмена протеогликанов при патологии.
Гликозаминогликаны (ГАГ) - углеводная часть протеогликанов, гетерополисахариды, в состав которых входят аминосахара. В организме гликозаминогликаны ковалентно связаны с белковой частью протеогликанов. Молекулы ГАГ состоят из повторяющихся звеньев, которые построены из остатков уроновых кислот (Dглюкуроновой или L-идуроновой) и сульфатированных и ацетилированных аминосахаров. Кроме указанных основных моносахаридных компонентов, в составе гликозаминогликанов в качестве так называемых минорных сахаров встречаются Lфукоза, сиаловые кислоты, D-манноза и D-ксилоза. Гликозаминогликаны подразделяются на: гиалуроновые кислоты, хондроитин-4-сульфат, хондроитин-6-сульфат, дерматансульфат, гепарин, гепарансульфат. Гликозаминогликаны в составе протеогликанов входят в состав межклеточного вещества соединительной ткани, содержатся в костях, синовиальной жидкости, стекловидном теле и роговице глаза.
Вместе с волокнами коллагена и эластина, протеогликаны образуют соединительнотканный матрикс (основное вещество). Один из представителей гликозаминогликанов - гепарин, обладающий противосвѐртывающей активностью, находится в межклеточном веществе ткани печени, лѐгких, сердца, стенках артерий.
Протеогликаны покрывают поверхность клеток, играют важную роль в ионном обмене, иммунных реакциях, дифференцировке тканей.
Гиалуроновая кислота: Молекулярная масса этого полимера - до 1.000.000 Da. Мономер построен из глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Внутри мономера - 1,3-бетагликозидная связь, между мономерами - 1,4-бетагликозидная связь. Гиалуроновая кислота может находиться и в свободном виде, и в составе сложных агрегатов. Это единственный представитель ГАГ, который не сульфатирован.
Функции гиалуроновой кислоты:
•является главным компонентом синовиальной жидкости, отвечающим за еѐ вязкость.
•основной компонент биологической смазки.
•важный компонент суставного хряща, в котором присутствует в виде оболочки каждой клетке
•входит в состав кожи, где участвует в регенерации ткани.
•вследствие своего высокого содержания во внеклеточных матриксах играет важную роль в
гидродинамике тканей, процессах миграции и пролиферации клеток
Хондроитин-сульфаты:
Мономер хондроитин-сульфата построен из глюкуроновой кислоты и Nацетилгалактозаминсульфата. Встречаются в связках суставов и в ткани зуба.
Функции хондроитинсульфата:
•способствует отложению кальция в костях
173
•стимулирует синтез гиалуроновой кислоты, укрепляя соединительнотканные структуры: хряща, сухожилий, связок.
•оказывает анальгетическое и противовоспалительное действие, является хондропротектором, способствует активной регенерации хряща.
•особенностью хондроитина среди протеогликанов является его способность сохранять воду в толще хряща в виде водных полостей, создающих хорошую амортизацию и поглощающих удары, что в итоге повышает прочность соединительной ткани.
•важным действием хондроитина является его способность угнетать действие специфиче-
ских ферментов, разрушающих соединительную ткань, в том числе лизосомальных ферментов, высвобождающихся в результате разрушения хондроцитов (эластаза, пептидаза, катепсин).
Биосинтез гликозаминогликанов
Синтез большинства промежуточных соединений происходит в цитоплазме фибробластов. Известно, что синтез глюкозамина и глюкуроновой кислоты, входящих в состав гиалуроновой кислоты, происходит из D-глюкозы. Непосредственные предшественники гиалуроновой кислоты – УДФ-произ- водные N-ацетилглюкозамина и глюкуроновой кислоты. Предшественником углеводных остатков сульфатированных гликозаминогликанов, как и у гиалуроновой кислоты, является молекула D-глю- козы.
Далее происходит эпимеризация глюкозамина в галактозамин, а глюкуроновой кислоты при синтезе дерматансульфата – в идуроновую кислоту. Нуклеотидные производные этих соединений утилизируются при биосинтезе сульфатированных гликозаминогликанов, при этом сульфат включается в биосинтез гликозаминогликанов в виде 3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфата (ФАФС).
Катаболизм гликозаминогликанов
Гликозаминогликаны отличаются высокой скоростью обмена (период полужизни многих из них составляет от 3 до 10 сут.). В разрушении полисахаридных цепей участвуют экзо- и эндогликозидазы (гиалуронидаза) и сульфатазы. Из внеклеточного пространства по механизму эндоцитоза гликозаминогликаны поступают в клетку, где эндоцитозные пузырьки сливаются с лизосомами. Активные лизосомальные ферменты β-гиалуронидазы гидролизует β-1,4-гликозидную связь между дисахаридными единицами гиалуроновой и хондроитинсерной кислот и обеспечивают полный постепенный гидролиз гликозаминогликанов до мономеров. В итоге образуетсянеорганический сульфат и моносахариды. Внеклеточный распад гликозаминогликанов характерен только для гепарансульфата, который расщепляется гепараназой, синтезируемый тромбоцитами или Т-лимфоцитами.
ПРОТЕОГЛИКАНЫ
ГАГ входят в состав сложных белков, которые называются протеогликанами. ГАГ составляют в протеогликанах 95% их веса. Остальные 5% веса — это белок. Белковый и небелковый компоненты в протеогликанах связаны прочными, ковалентными О- и N-гликозидными связями. Функции протеогликанов в соединительной ткани определяются свойствами входящих в их состав гликозаминогликанов:
•распределении катионов в соединительной ткани (накопление кальция в очагах оссификации связано происходит за счет хондроитинсульфатов, активно фиксирующих катионы кальция);
•связывания экстрацеллюлярной воды и регуляции процессов диффузии.
Образование протеогликанов. Процесс синтеза протеогликанов на рибосомах активных фибробластов начинается с образования пептидной части корового белка. ГАГ соединяется с остатком серина белка. Этот процесс протекает в несколько стадий в ЭПС. Только затем присоединяется первая молекула глюкуроновой кислоты. Дальнейший синтез продолжается до присоединения 30-50 дисахаридных звеньев. После образования цепи длиной около 90 звеньев начинают работать сульфотрансферазы, которые вводят в молекулу сульфогруппы. Сначала происходит концентрирование протеогликанов в форме секреторных гранул, которые затем сливаются с цитоплазматической мембраной и отдают содержимое во внеклеточное пространство.
Распад протеогликанов - физиологический процесс, заключающийся в регулярном обновлении внеклеточных и внутриклеточных макромолекул. В деградации протеогликанов участвуют протеиназы
игликозидазы. Вначале коровый и связующие белки подвергаются воздействию свободных радикалов
ив межклеточном матриксе гидролизуются матриксными металлопротеиназами - коллагеназой, желатиназой, стромелизином. Протеиназы расщепляют коровый белок, а гликозидазы гидролизуют цепи
174
гликозаминогликанов и олигосахаридов. Затем фрагменты протеогликанов захватываются бластными клетками и подвергаются внутриклеточной деградации.
Гормональная регуляция метаболизма соеднительной ткани:
Глюкокортикоиды угнетает биосинтез коллагена и гликозаминогликанов фибробластами, активируют ферментный катаболизм коллагена. Минералокортикоиды стимулируют пролиферацию фибробластов и одновременно усиливают биосинтез основного вещества соединительной ткани. Тироксин вызывает усиленную деполимеризацию гиалуроновой кислоты. Соматотропный гормон передней доли гипофиза стимулирует включение пролина в полипептидную цепь тропоколлагена. С возрастом в соединительной ткани уменьшается содержание воды и соотношение основное вещество/волокно. Уменьшение этого коэффициента происходит как за счет нарастания содержания коллагена, так и в результате снижения концентрации гликозамингликанов, особенно гиалуроновой кислоты. Происходят также структурные изменения коллагена. В тропоколлагеновых субъединицах и между ними образуется все большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена в соединительной ткани более жесткими и хрупкими. Увеличивающиеся хрупкость и жесткость коллагена изменяют механические свойства хрящей и сухожилий, делают более ломкими кости, понижают прозрачность роговицы глаза.
83. Биохимия мышц. Состав мышечной ткани. Экстрактивные (миофибриллярные белки). Важнейшие экстрактивные вещества мышц: креатин и креатинфосфат. Значение миоглобина, регуляторные белки. Механизм мышечного сокращения. Биохимические показатели при поражении мышечной системы. Креатинурия.
ФУНКЦИИ МЫШЦ:
Мышцы составляют более 40% массы тела. Вся деятельность организма связана в той или иной мере с работой мышц.
1.Передвижение тела в пространстве
2.Перемещение частей тела относительно друг друга
3.Поддержание позы
4.Обеспечение работы сердечно-сосудистой, дыхательной, мочеполовой, желудочно-кишечной
систем
5.Выработка тепла
6.Механическая защита внутренних органов
7.Депо аминокислот, так как содержат много белков
8.Депо воды и солей
СТРОЕНИЕ МЫШЕЧНОГО ВОЛОКНА:
Мышечное волокно состоит из клеток, окруженных электро-возбудимой мембраной - сарколеммой, которая, как и любая другая мембрана, имеет липопротеиновую природу.
Сарколемма отгораживает внутреннее содержимое мышечного волокна от межклеточной жидкости. Подобно другим мембранам сарколемма имеет избирательную проницаемость для различных веществ. Через нее не проходят высокомолекулярные вещества (белки, полисахариды и др.), но проходят глюкоза, молочная и пировиноградная кислоты, кетоновые тела, аминокислоты и короткие пептиды. Перенос через сарколемму имеет активный характер (осуществляется с помощью посредников), что позволяет накапливать внутри клетки некоторые вещества, в том числе ионы, в большей концентрации, чем снаружи. Это приводит к возникновению мембранного потенциала, который является необходимым условием возникновения и проведения возбуждения. В мышечной клетке имеются миофибриллы (пучки белков), располагающиеся вдоль клетки, которые построены из белковых нитей (филаментов) двух типов – толстых (миозин) и тонких (актин).
Функциональной единицей миофибриллы является участок, ограниченный двумя Z-пластинками, к М-линии прикреплены миозиновые нити своей серединой, активныенити прикреплены к Z-пластин- кам. Чередование толстых (А-диски) и тонких (I-диски) нитей создает поперечную полосатость мышц.
СОСТАВ МЫШЕЧНОГО ВОЛОКНА:
175
Скелетные мышцы теплокровных животных содержат 74-78% Н2О и 26-22% сухого вещества. Основная масса сухого вещества приходится на долю белков 18-20%. Липиды составляют 1-3%, соли 1,5- 2%, углеводы 0,5-3%.
Белки мышечной ткани:
1)сократительные: актин, миозин;
2)регуляторные основные: тропомиозин, тропонины (I, C, Т);
3)регуляторные минорные: миомезин, креатинкиназа, белки М, С, F, H, I, актинины α, β, γ, филамин, пататропомиозин;
4)белки цитоскелета: тайтин-1, тайтин-2, небулин, винкулин, десмин (скелетин), виментин, синемин, Zпротеин, Z-nin, дистрофин.
Содержание белков:
• Миофибриллярные (сократительные) — 45% (Миозин - 54%, Актин - 25%, Тропомиозин - 11%, Тропонин — 10%, α и β Актинины)
• Саркоплазматические (миоальбумин, глобулины X, миогены, миоглобин, нуклеопротеиды и ферменты) — 35% (В миокарде содержится много АсАТ, АлАТ, ЛДГ1, ЛДГ2, КФК-МВ. В скелетной мышце содержится много ЛДГ3, ЛДГ4, КФКММ)
• Белки стромы (в основном коллаген и эластин) — 20%.
УГЛЕВОДЫ И ЛИПИДЫ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ:
Основным углеводом является гликоген (0,3–3,0%). Также в мышечной ткани присутствуют гликозаминогликаны, моносахариды глюкоза, фруктоза и т.д. Из липидов преобладают фосфолипиды и холестерин. Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче фосфолипидами.
ЭКСТРАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА МЫШЦ:
• Азотистые: адениловая система (АТФ, АДФ, АМФ, ИМФ), креатин, креатинфосфат (~60% небелкового азота), карнозин, анзерин, глутаминовая кислота, глутамин, аланин, мочевая кислота, мочевина.
• Безазотистые: гликоген, глюкоза, пируват, лактат, кетоновые тела, холестерин, фосфолипиды. МИОЗИН – высокомолекулярный белок (более 440 000). Имеет участки, обладающие АТФазной
активностью, проявляющейся в присутствии Са2+.
- Легкий миозин отличается от тяжелого по аминокислотному составу и свойствами.
- Тяжелый миозин обладает ферментативной активностью. Он является аденозинтрифосфотазой и гидролитически расщепляет АТФ.
АКТИН – белок с более низкой молекулярной массой (42000).
Может быть в двух формах: глобулярной (G) или фибриллярной (F). После прибавления солей G- актин легко переходит в F-актин. F-актин является полимером G-актина. Fактин состоит из двух филаментов скрученных в спираль. Этот переход осуществляется под влиянием ионов К+: актин → актин глобулярный фибриллярный.
Актин F легко соединяется с миозином и образует новый белок-актомиозин. Для актомиозина характерны следующие свойства: способность разлагать АТФ; освобождать энергию макроэргических связей; превращать эту энергию в работу.
ТРОПОМИОЗИН и ТРОПОНИН – регуляторные белки.
• ТРОПОМИОЗИН (Тm) – состоит из двух полипептидных цепей, образующих двойную спираль, располагается в бороздке на поверхности – F актина по длине соответствует 7 субъектам - G-актина.
• Комплекс ТРОПОНИНА состоит из трех субъединиц с глобулярной структурой и расположен примерно на концах Тm. TРОПОНИН Т (TnT) обеспечивает связь с Тm.
TРОПОНИН С (TnC) образует связь с ионами Са2+ на поверхности Тm, в результате чего изменяется его конформация. ТРОПОНИН I (TnI) может предотвращать взаимодействие актина с миозином. Положение ТnI переменно и зависит от концентрации Са2+. В присутствии Са2+ изменяется конформация ТnC. Это приводит к изменению положения TnI по отношению к актину, в результате он может взаимодействовать с миозином. Точное пространственное расположение главных белков сократительной мышцы - необходимое условие сокращения и расслабления, а также регуляции этих процессов.
МЕХАНИЗМ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ:
В присутствии АТФ, но при низкой концентрации Са2+, волокно находится в расслабленном состоянии, т.е. головки миозина не образуют связи с актином. Соединение актина и миозина препятствуют тропонин, который «закрывает» участки связывания на актине. При возбуждении мышечного волокна ионы кальция выходят из ЭПС, и его концентрация вблизи миофибрилл возрастает. В момент увеличения концентрации Са2+ вблизи головок ферментативная активность головок многократно
176
увеличивается и в той же мере возрастает гидролиз АТФ. В скелетных мышцах тяжи тропомиозина закрывают активные участки актинового филамента, препятствуя взаимодействию миозиновых головок с мономерами актина, тем самым предотвращая сокращение. Повышение концентрации Са2+ сопровождается его связыванием с тропонином. При этом молекулы комплекса тропонин-тропомиозин изменяют свое расположение таким образом, что обнажают активные участки на актиновомфиламенте. За счет освобождающейся энергии происходит связывание головок с нитью актина, изгибание «ножки» и вследствие этого актиновые филаменты продольно перемещаются относительно центрального миозинового стержня. Уменьшение же концентрации Са2+ до прежнего минимального уровня вызывает размыкание поперечных мостиков и возвращение мышечного волокна (всей мышцы) в исходное расслабленное состояние. Описанное взаимодействие глобулярной головки миозина и активным участком молекулы актина называют циклом поперечного мостика.
Цикл после завершения может повториться или остановиться. Если бы все поперечные мостики в отдельной мышце прошли одновременно только один цикл, мышца укоротилась бы всего на 1% от ее длины в состоянии покоя. Однако многие мышцы способны укорачиваться до 60% 10 длины покоя. Это показывает, что цикл поперечного мостика происходит в них многократно. При этом каждый раз миозин захватывает и тянет новый участок актина. Именно такая многократность повторения цикла замыкания-размыкания мостика вызывает более выраженное укорочение и генерирует большую силу. В результате циклов поперечных мостиков саркомер укорачивается, и концы мышцы подтягиваются к ее центру. Прочная соединительнотканная фасциальная оболочка, прикрепляющая мышцу посредством сухожилия к костям, передает вызываемую сокращением силу костям. Линейно направленная мышечная сила тянет кость и вызывает ее вращение в плоскости, перпендикулярной оси сустава. Поскольку мышца обычно проходит, по крайней мере, через один сустав, более свободный сегмент костного скелета будет перемещаться, вызывая вращательное движение в суставе. Трансформация возбуждения в сокращение, по существу, представляющая передачу сигнала о начале сокращения от возбужденной сарколеммы, называется электромеханическим сопряжением.
МЕТАБОЛИЗМ В МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ:
•Обмен веществ в состоянии покоя находится на относительно низком уровне, так как мышцы функционируют непостоянно.
•Метаболизм работающей мышцы направлен только на обеспечение мышечной работы, и его специфика в первую очередь состоит в производстве молочной кислоты из гликогена, содержание которого достигает 1% от общего веса мышц.
•В мышцах идет захват глюкозы, регулируемый инсулином
•При расщеплении гликогена, до лактата освобождается энергия
•Накопление лактата ограничивает гликогенолиз и для ликвидации молочной кислоты требуется значительный период повышенного обмена.
177
•Переход на аэробное окисление происходит, благодаря увеличению транспорта кислорода в работающую мышцу и лактат окисляется до пирувата, который даст глюкозу и затем гликоген (в период отдыха), или в сердечной мышце окисляется до СО2 и Н2О при ликвидации ―кислородной задолженности‖ с выделением большого количества энергии в цикле Кребса.
•β - окисление жирных кислот очень выгодный аэробный процесс, который доминирует при работе красных волокон сердечной мускулатуры. Здесь же хорошо сгорают кетоновые тела.
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ РАБОТЫ МЫШЦ:
1. Некоторый резерв энергии находится в небольших количествах АТФ и креатинфосфата, который есть в мышце. Этого запаса хватает на 10-12 с.
2. Дополнительное количество АТФ образуется под действием аденилаткиназы (миокиназы), которая катализирует реакцию:
2 АДФ → АТФ + АМФ
3.К 20-й секунде активируется гликогенолиз, и гликолиз, который за счет субстратного фосфорилирования обеспечивает работающую мышцу молекулами АТФ и достигает максимума через 40-50 секунд непрерывной работы мышц.
4.Через 60-70 секунд доминируют уже аэробные процессы, благодаря увеличению транспорта кислорода в работающую мышцу. При аэробном окислении образуется АТФ в митохондриях, которые
вбольшом количестве окружают мышечное волокно. АТФ поставляют в основном β-окисление жирных кислот.
КРАСНЫЕ И БЕЛЫЕ МЫШЕЧНЫЕ ВОЛОКНА:
В зависимости от сократительных свойств, гистохимической окраски и утомляемости мышечные волокна подразделяют на две группы - красные и белые.
Красные мышечные волокна
Это медленные волокна небольшого диаметра, которые используют для получения энергии окисление углеводов и жирных кислот (аэробная система энергообразования). Медленные волокна называют красными из-за красной гистохимической окраски, обусловленной содержанием в этих волокнах большого количество миоглобина. Красные волокна имеют большое количество митохондрий, в которых происходит процесс окисления, для получения энергии волокна окружены обширной сетью капилляров, необходимых для доставки большого количества кислорода с кровью. Медленные мышечные волокна приспособлены к использованию аэробной системы энергообразования: сила их сокращений сравнительно невелика, а скорость потребления энергии такова, что им вполне хватает аэробного метаболизма. Такие волокна отлично подходят для продолжительной и не интенсивной работы (стайерские дистанции в плавании, легкий бег и ходьба, занятия с легкими весами в умеренном темпе, аэробика), движений, не требующих значительных усилий, поддержании позы.
Красные мышечные волокна включаются в работу при нагрузках в пределах 20-25% от максимальной силы и отличаются превосходной выносливостью.
Белые мышечные волокна
Это быстрые волокна большего по сравнению с красными волокнами диаметра, которые используют для получения энергии в основном гликолиз (анаэробная система энергообразования). В быстрых волокнах меньше миоглобина, поэтому они выглядят белее. Для белых мышечных волокон характерна высокая активность фермента АТФазы, следовательно АТФ быстро расщепляется с получением большого количества необходимой для интенсивной работы энергии. Так как БМ-волокна обладают высокой скоростью расхода энергии, они требуют и высокой скорости восстановления молекул АТФ, которую может обеспечить только процесс гликолиз. Гликолиз ведет к образованию быстро накапливающейся молочной кислоты (лактата), поэтому белые волокна быстро устают, что в конечном итоге останавливает работу мышцы. Белые волокна имеют больший диаметр по сравнению с красными, в них также содержится гораздо большее количество миофибрилл и гликогена, но меньше количество
178
митохондрий. В белых волокнах находится и креатинфосфат (КФ), необходимый на начальном этапе высокоинтенсивной работы. Белые волокна больше всего подходя для совершения быстрых, мощных, но кратковременных (так как они обладают низкой выносливостью) усилий. По сравнению с медленными волокнами, могут в два раза быстрее сокращаться и развивать в 10 раз большую силу. Максимальную силу и скорость человеку позволяют развить именнобелые волокна.
МИОГЛОБИН:
•Сложный белок хромопротеин,
•По строению гема близок к гемоглобину,
•Имеет одну полипептидную цепь,
•Находится в красных мышцах,
•Способен связывать и отдавать кислород, способствуя снабжению мышечных волокон кислоро-
дом,
•Имеет большее сродство к кислороду, чем гемоглобин.
КРЕАТИНУРИЯ:
Креатинин – это остаточный продукт, образуемый в мышцах при разрушении креатина. Креатин входит в цикл, обеспечивающий организм энергией для сокращения мышц. После 7 секунд интенсивной физической активности креатинфосфат превращается в креатин, затем переходящий в креатинин, фильтрующийся в почках и выделяющийся с мочой. Креатинин фильтруется почками в первичную мочу и обратно не реабсорбируется, поэтому этот показатель удобен для оценки фильтрационной способности почек. Для оценки фильтрационной способности почек рассчитывают клиренс по креатинину.
Клиренс (К), или коэффициент очищения, показывает, какое количество крови очищается почками от креатинина за единицу времени:
К= (Креатинин в моче/Креатинин в крови) × минутный диурез
В норме клиренс равен 50-140 мл в мин. Снижение клиренса свидетельствует о наступлении почечной недостаточности. С мочой в норме выводится толькокреатинин. Выделение креатина с мочой
– креатинурия, характерна для патологии мышц. Физиологической креатинурия считается у детей и пожилых. Патологическая креатинурия характерна для прогрессирующей мышечной дистрофии, миопатий.
Высокий креатинин — показатель обильной мясной диеты (если повышен в крови и в моче), почечной недостаточности (если повышен только в крови).
УТОМЛЕНИЕ:
•временное понижение работоспособности клетки, органа или целого организма, наступающего вследствие тяжелой или длительной работы и исчезающее после отдыха.
•Утомление характеризуется уменьшением силы и выносливости мышц, нарушением координации движений.
•Причинами утомления могут быть истощение депо гликогена и ослабление процесса АТФ, накопление кислых продуктов метаболизма (фосфорная и молочная кислоты), истощение депо кальция и утомление нервных центров, регулирующих сокращение отдельных групп мышц. Субъективно утомление ощущается в виде усталости и потребности во сне.
•В некоторых случаях утомления расслабление не наступает. Развивается контрактура. Это состояние длительного непроизвольного сокращения мышцы.
•При выполнении физической работы очень важно подобрать средние величины ритма и нагрузки. При этом производительность будет высокой, а утомление наступает позже.
ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА В СЕРДЕЧНОЙ МЫШЦЕ:
Сердечная мышца по содержанию ряда химических соединений занимает промежуточное положение между скелетной мускулатурой и гладкими мышцами. В сердечной мышце значительно меньше миофибриллярных белков, чем в скелетной мышце. Концентрация белков стромы в миокарде выше, чем в скелетной мускулатуре. Миозин, тропомиозин и тропонин сердечной мышцы заметно отличаются по своим физико-химическим свойствам от соответствующих белков скелетной мускулатуры. Существуют определенные особенности и во фракциях саркоплазматических белков. Саркоплазма миокарда в процентном отношении содержит больше миоальбумина, чем саркоплазма скелетной мускулатуры. Содержание АТФ, ансерина, карнозина и гликогена в сердечной мышце на 1 г ткани ниже, чем в скелетной мускулатуре. Имеется определенная зависимость между характером работы мышц и содержанием фосфоглицеридов. Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче
179
фосфоглицеридами, при окислении которых, по-видимому, вырабатывается значительная часть энергии, необходимой для его сокращения.
84. Химизм мышечного сокращения. Связь химических процессов в мышце с функцией. Роль кальция в мышечном сокращении. Своеобразие обмена миокарда. Особенности обмена мышечной ткани в состоянии покоя и усиленной работы. Биохимические основы мышечного утомления, значение тренировки мышц.
85. Особенности химического состава и метаболизма нервной ткани (дыхание, обмен глюкозы и гликогена, обмен макроэргов, липидов, белков и аминокислот). Обмен мозга при гипоксии.
НЕРВНАЯ ТКАНЬ:
Нервная ткань является функционально ведущей тканью нервной системы; она состоит из нейронов (нервных клеток), обладающих способностью к выработке и проведению нервных импульсов, и клеток нейроглии (глиоцитов), выполняющих ряд вспомогательных функций и обеспечивающих деятельность нейронов. Структурно-функциональная единица нервной ткани — нейрон — связана с помощью дендритов и аксонов с такими же клетками и клетками других типов (секреторными, мышечными), разделенными синоптическими щелями. Связь между клетками осуществляется путем передачи сигнала от тела нейрона по аксону до синапса. В синоптическую щель выделяется вещество-ме- диатор. Медиатор вступает в связь с рецепторами на другой стороне синоптической щели, что обеспечивает восприятие сигнала и генерацию нового сигнала в клетке-акцепторе.
Функции нервной ткани:
1.Обеспечение связи с окружающей средой и осуществление адаптации к изменяющимся условиям внешней среды - генерация электрического сигнала (нервного импульса).
2.Осуществление высшего уровня регуляции метаболизма – проведение нервного импульса.
3.Запоминание и хранение информации.
4.Формирование эмоций и поведения.
5.Мышление.
ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И МЕТАБОЛИЗМА НЕРВНОЙ ТКАНИ:
Нервная ткань состоит из трех клеточных элементов: нейронов (нервные клетки), нейроглии (системы клеток), окружающие нервные клетки в головном и спинном мозге и глиальных макрофагов. Нейроны сосредоточены в сером веществе (60-65% от вещества головного мозга). Белое вещество ЦНС и периферические нервы состоят главным образом из элементов нейроглии и их производного – миелина.
1.В состав нервной ткани входят высоко лабильные вещества, изменяющиеся при раздражении.
2.Эта ткань интенсивно омывается кровью, что сопровождается высокой интенсивностью обмена веществ.
3.Для нервной ткани характерна высокая интенсивность дыхания (в 20 раз больше, чем в мышцах). Масса мозга составляет 2-3 % от массы тела, а потребление кислорода составляет 20-25% от всего потребляемого кислорода.
4.Метаболизм нервной ткани определяется наличием гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), обладающего избирательной проницаемостью для различных метаболитов и способствующего накоплению некоторых веществ в нервной ткани. Например, в нервной ткани на долю глутамата и аспартата приходится примерно 70-75% от общего количества аминокислот.
ОСОБЕННОСТИ ЛИПИДНОГО ОБМЕНА В МОЗГЕ:
Особенность липидного состава нервной ткани: есть фосфолипиды (ФЛ), гликолипиды (ГЛ) и холестерин (ХС), нет нейтральных жиров. Эфиры холестерина встречаются только в участках активной миелинизации. Сам холестерин синтезируется интенсивно только в развивающемся мозге. В мозге взрослого человека низка активность ОМГКоА-редуктазы — ключевого фермента синтеза холестерина. Содержание свободных жирных кислот в мозге очень низкое.
Функции липидов нервной ткани:
•структурная: входят в состав клеточных мембран нейронов;
180