Преобразование химической энергии в механическую

Каким образом мышца преобразует химическую энергию в механическую? Вероятно, это важнейший вопрос современных молекулярных исследований мышц.

АТФ-непосредственный источник энергии для сокращения. Справедливость такого вывода не вызы-

72 ЧАСТЬ II. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

вает сомнений с тех пор, как было продемонстрировано гидролитическое расщепление АТФ до АДФ и фосфата во время сокращения мышцы [15]. Все другие высвобождающие 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 «топлива»-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 метаболическими ядами [15]. Изолированные мышцы лягушки, быстро замороженные жидким азотом на максимуме вызванного одиночным стимулом изотонического сокращения, содержат в среднем лишь 2,6 мкмоль 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 и выделение тепла.

АТФ гидролитически расщепляется и за счет этого энергетически используется в мышце с помощью особого фермента-АТФазы миозина, причем этот процесс активируется актином. Актин и миозин, как говорилось выше, представляют собой белковые структуры, прямо участвующие в механическом сокращении, а АТФ-единственное вещество в мышце (исключение составляют только редкие нуклеозидтрифосфаты), которое ими может непосредственно утилизироваться. Веберу и Портцелю удалось получить гелеобразные сократительные нити актина и миозина (актомиозиновые нити), способные сокращаться так же, как живые мышцы, используя АТФ (только АТФ!) в качестве источника энергии [19]. Это подтверждает непосредственное участие АТФ в мышечном сокращении.

Потребление АТФ во время сокращения. Сейчас известно, что миозиновые головки, взаимодействующие с актином, сами содержат каталитически активные центры

для расщепления АТФ. АТФаза миозина активируется актином в присутствии Mg²⁺. Следовательно, при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии Mg²⁺, АТФ расщепляется, высвобождая АДФ и фосфат, только в случае прикрепления головки миозина к активирующему белку-актину. (В отсутствие актина образующийся АДФ не высвобождается, а блокирует на несколько секунд каталитический центр миозина и, таким образом, дальнейшее расщепление АТФ.) В каждом цикле прикрепления-отделения поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, одна молекула на каждый мостик). Следовательно, чем больше мостиков находится в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ и сила, развиваемая мышцей; значит, эта скорость (интенсивность метаболизма), как правило, пропорциональна силе, развиваемой мышцей.

Скорость мышечного сокращения тем выше, чем быстрее движутся поперечные мостики, т.е. чем больше «гребков» они совершают в единицу времени. В результате быстрые мышцы потребляют в единицу времени больше и сохраняют при тоническом напряжении меньше АТФ (энергии), чем медленные. Поэтому для поддержания позы используются преимущественно медленные мышечные волокна (типа I), богатые миоглобином, а для быстрых движений бедные им «белые» (типа IIB) или светлые (типа IIА) волокна.

Механизм действия АТФ. Механизм, с помощью которого донор энергии - молекула АТФ - обеспечивает перемещение поперечного мостика, интенсивно изучается [10, 13, 17]. По-видимому, АТФ связывается с поперечным мостиком после завершения «гребка», давая энергию для разделения взаимодействующих сократительных белков-актина и миозина. Почти сразу же после этого миозиновые головки отделяются от актина, а АТФ расщепляется до АДФ и фосфата. Продукты гидролиза 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 должна 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,

Таблица 4.1. Прямые и непрямые источники энергии в скелетной мышце человека [2]
Источники энергии	Количество, мкмоль/г мышцы	Реакции, дающие энергию
Аденозинтрифосфат (АТФ)	5	АТФ АДФ + Р,
Креатинфосфат (КФ)	11	КФ + АДФ АТФ + К
Глюкоза (мономеры в составе гликогена)	84	Анаэробное расщепление через пируват до лактата (гликолиз) Аэробное расщепление через пируват до СО2 и Н2О
Триглицериды	10	Окисление до СО2 и Н2О
АДФ-аденозиндифосфат, К-креатин, Pf~ неорганический фосфат.