Биохимические изменения в мышцах при патологии

Общим для большинства заболеваний мышц (прогрессирующие мышечные дистрофии, атрофия мышц в результате их денервации, тенотомия, полимиозит, некоторые авитаминозы и т. д.) является резкое снижение в мышцах содержания миофибриллярных белков, возрастание концентрации белков стромы и некоторых саркоплазматических белков, в том числе миоальбумина. Наряду с изменениями фрак­ционного состава мышечных белков при поражениях мышц наблюдается снижение концентрации АТФ и креатипфосфата. Например, через 12 дней после денервации содержание АТФ в деиервировапной икроножной мышце кролика снижается более чем в 2 раза. Отмечается также снижение АТФазной активности контрактильных белков (миозина), уменьшение количества имидазолсодержащих дипептидов.

При прогрессирующих мышечных дистрофиях и других заболеваниях, связанных с распадом мышечной ткани, часто отмечаются сдвиги в фосфолипидном составе мышц: значительно снижается содержание фосфатидилхолина и фосфатидилэтанола-мина, концентрация же сфингомиелина и лизофосфатидилхолина повышается. До сих пор истинные механизмы изменения фосфолипидного состава мышечной ткани при патологии не выяснены, неизвестна также роль этих сдвигов в патогенезе мышечных

дистрофий.

НОРМА ДИСТРОФИЯ

ПЕЧЕНЬ МЫШЦА ПЕЧЕНЬ МЫШЦА

КРЕАТИН

КРЕАТИН

ФОСФО-КРЕАТИН

КРЕАТИН

ФОСФО-КРЕАТИН

КРЕАТИН

ГЛИЦИН

АРГИНИН

МЕТИОНИН

ГЛИЦИН

АРГИНИН

МЕТИОНИН

МОЧА

КРЕАТИН

МОЧА

Схематическое изображение происхождения креатинурии при прогресси­рующей мышечной дистрофии.

Для многих форм патологии мышечной ткани характерно нарушение метабо­лизма креатина и его усиленное выделение с мочой (креатинурия). Несмотря на много­численные исследования и обилие фактического материала, вопрос о причинах креатинурии при заболеваниях мышц не может еще считаться окончательно решенным.

Принято считать, что креатинурия у больных миопатией является результатом нарушения в скелетной мускулатуре процессов фиксации (удержания) креатина и его фосфорилирования. Если нарушен процесс синтеза креатинфосфата, то. не образуется и креатйнин; содержание последнего в моче резко снижается. В результате креатину­рии и нарушения синтеза креатинина резко повышается креатиновый показатель (креатин/креатинин) мочи [Фердман Д. Л., 1957].

При патологии мышечной ткани можно наблюдать определенную закономерность в изменениях активности ферментов в мышцах: уменьшается активность ферментов, локализованных в саркоплазме; незначительно изменяется активность ферментов, свя­занных с митохондриями; заметно возрастает активность лизосомальных ферментов. Наконец, показано, что при многих заболеваниях мышечной системы наступают сдвиги в системе цАМФ: снижается содержание цАМФ в мышечной ткани, повыша­ется активность фосфодиэстеразы и нарушается способность аденилатциклазы акти­вироваться под влиянием адреналина и фторида натрия.

БИОХИМИЯ МЫШЦ И МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ.

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ МЫШЕЧНОГО ВОЛОКНА

Мышечное сокращение — наиболее совершенная форма биоло­гической подвижности - представляет собой механохимический процесс, который характеризуется высокой степенью регуляции.

Основная функция мышцы заключается в развитии напряжения и укорочения. Эта функция, названная сократительной, обеспечи­вает разнообразную деятельность организма.

Мышца является сложным молекулярным двигателем, способ­ным преобразовывать химическую энергию непосредственно в ме­ханическую работу, минуя промежуточные превращения. Вследст­вие этого потери энергии сравнительно невелики, мышца обладает высоким коэффициентом полезного действия (от 30 до 50 %).

Во время мышечного сокращения в мышце протекают разнооб­разные процессы: синхронное изменение проницаемости мембран и работы «ионных насосов», последовательное изменение активности ферментов, скорости процессов энергообеспечения, электростати­ческих взаимодействий, структурная перестройка мышечных воло­кон. Энергия при сокращении расходуется на изменение характера взаимосвязей сократительных белков мышц и их взаимного рас­положения.

У животных и человека имеется два основных типа мышц: по­перечнополосатые и гладкие. Поперечнополосатые мышцы при­креплены к костям и поэтому называются скелетными. Поперечно­полосатые волокна составляют также основу сердечной мышцы, хотя она и биохимически и структурно несколько отличается от скелетных мышц. Гладкие мышцы образуют мускулатуру стенок кровеносных сосудов и кишечника, пронизывают ткани внутренних органов и кожу. Наибольший интерес для биохимии спорта представляют ске­летные мышцы.

Структурной единицей мышцы является мышечное волокно. Мышечные волокна бывают трех типов: белые быстросокращающиеся (FR), промежуточные (FT) и красные медленно сокращающиеся (ST). Биохимически они различаются главным образом механиз­мами энергетического обеспечения мышечного сокращения. Их иннервируют разные мотонейроны, чем обусловлены неодновремен­ность включения в работу и различная скорость сокращений волокон. Разные мышцы имеют неодинаковое сочетание этих типов волокон.

Каждая мышца состоит из нескольких тысяч мышечных воло­кон, объединяемых соединительнотканными прослойками и такой же оболочкой. Усилия мышцы складываются из усилий всех мы­шечных волокон.

Отдельное волокно имеет длину от 0,1 до 2—3 см (в портняжной мышце до 12 см) и толщину от 0,01 до 0,2 мм. Мышечное во­локно представляет собой одну гигантскую клетку, а точнее, бес­клеточное образование—симпласт. Оно окружено оболоч­кой — сарколеммой, на поверхности которой располагаются окон­чания двигательных нервов. К одному волокну может подходить несколько нервных окончаний. Все скелетные мышцы пронизаны множеством кровеносных сосудов. Каждый структурный компонент мышечного волокна выполняет свою определенную функцию.

Сарколемма представляет собой двухслойную липопротеидную (плазматическую) мембрану толщиной около 10 нм, как бы опле­тенную коллагеновыми волокнами. При расслаблении мышцы в ней создаются упругие силы; при расслаблении эти силы растягивают мышечное волокно в исходное положение,

Сарколемма отгораживает внутреннее содержимое мышечного волокна от омываемой его межклеточной жидкости. Она облада­ет свойством избирательной проницаемости для различных ве­ществ. Через нее не проходят высокомолекулярные вещества: жир­ные кислоты, белки, полисахариды, но проходят глюкоза, молоч­ная и пировиноградная кислоты, кетоновые тела, аминокислоты я короткие пептиды. Перенос веществ через сарколемму носит актив­ный характер, что позволяет накапливать внутри клетки некоторые вещества в большей концентрации, чем снаружи. Сдвиг реакций среды в кислую сторону увеличивает проницаемость сарколеммы для высокомолекулярных веществ. Избирательная проницаемость сарколеммы играет большую роль в возникновении возбуждения в мышечном волокне. Сарколемма проницаема для ионов К⁺, накап­ливающихся внутри волокна, и содержит “ионный насос”, удаляю­щий из клетки ионы Nа+. Концентрация ионов Nа⁺ в межклеточной жидкости больше, чем концентрация ионов К⁺ внутри клетки. Во внутренних зонах волокна содержится большое количество орга­нических анионов. Все это приводит к возникновению на наружной поверхности сарколеммы избытка положительных, а на внут­ренней — отрицательных зарядов. Этот мембранный потенциал, который в состоянии покоя равен 90—100 мВ, является необходи­мым условием возникновения и проведения возбуждения.

Все внутреннее пространство мышечного волокна занято сарко­плазмой, представляющей собой коллоидную белковую структуру, в которую вкраплены глыбки гликогена, жировые капли и некото­рые другие включения. В саркоплазме имеются различные субкле­точные частицы: ядра, митохондрии, миофибриллы, рибосомы и др. Их функция заключается в регуляции обмена веществ в мышечном волокне путем воздействия на синтез специфических мышечных белков.

Миофибриллы (мышечные нити) являются сократительными элементами мышцы. Их длина может соответствовать длине мы­шечного волокна, а диаметр составляет около 1—2 мк. В нетрени­рованных мышцах миофибриллы располагаются рассеянно, а в тренированных сгруппированы в пучки. Каждая миофибрилла имеет поперечную исчерченность благодаря чередующимся светлым и темным дискам, причем темные диски одной миофибриллы рас­полагаются рядом с темными дисками другой, что создает попе­речную полосатость всего мышечного волокна. Изучение тончай­ших срезов с мышц позволило установить внутреннюю структуру миофибрилл (рис.). В темных дисках (дисках А — анизотроп­ных, неоднородных, обладающих двойным лучепреломлением} со­держание белкового вещества больше, чем в светлых (дисках S— изотропных, однородных). Светлые диски пересечены мембранами Z (телофрагмами). Участок миофибриллы между двумя Z-мембранами называется саркомером. Длина его в покоящейся мышце со­ставляет около 1,8 мк. Диски А имеют в середине более светлую полосу — зону Н, пересекаемую более темной зоной М. В одной миофибрилле может содержаться до 1000—1200 саркомеров. Они построены из толстых и тонких нитей (протофибрилл, или миофиламентов). Толстые протофибриллы имеют диаметр 11 —14 нм и длину около 1500 нм, тонкие — диаметр 4—6 нм и длину около 1000 нм. Протофибриллы располагаются таким образом, что тон­кие входят своими концами в промежутки между толстыми. Диски S состоят только из тонких протофибрилл, диски А — из прото­фибрилл двух видов, зона Н содержит только толстые протофиб­риллы, мембраны скрепляют тонкие протофибриллы между собой. Между тонкими и толстыми протофибриллами расположены по­перечные мостики (спайки) толщиной около 3 нм, расстояние между которыми около 40 нм.

В момент мышечного сокращения длина диска А не изменяется, так как остается постоянной длина толстых протофибрилл. Длина диска S уменьшается вследствие того, что тонкие протофибриллы вдвигаются в промежутки между толстыми. При этом возможно скручивание тонких протофибрилл в спираль вокруг толстых. Дли­на умеренно сокращенного саркомера составляет 1,5 мк. В момент полного сокращения Z-мембраны упираются в концы толстых про­тофибрилл. В некоторых случаях наблюдается сверхсокращение, когда концы тонких нитей в центре саркомера наползают друг на друга, а Z-мембраны сминают концы толстых протофибрилл. При полном сокращении саркомер имеет длину около 1 мк. В момент сокращения поперечные мостики принимают стреловидное поло­жение.

Между миофибриллами располагаются митохондрии — “энер­гетические станции” мышечных волокон. Количество митохондрий в тренированных мышцах по сравнению с нетренированными уве­личивается.

Внутри саркоплазмы находится система продольных и попе­речных трубочек, мембран, пузырьков, носящая название сарко-плазматической сети или саркоплазматического ретикулума — SR, который делит саркоплазму на отдельные отсеки, где протекают различные биохимические процессы. Пузырьки и тру­бочки SR оплетают каждую миофибриллу. Через трубочки, связан­ные с наружной клеточной мембраной (Г-система), возможен пря­мой обмен веществами между клеточными органеллами и межкле­точной жидкостью. Трубочки могут служить и для распростране­ния волны возбуждения от наружной мембраны волокна к внут­ренним его зонам. Толщина мембран саркоплазматического рети­кулума

около 6 нм. Мембраны пузырьков, прилегающих к миофибриллам, содержат белки, способные связывать ионы Са⁺⁺. В не­посредственной близости от мембран располагаются рибосомы, в которых происходит синтез белков. Рибосомы можно обнаружить также внутри ядер и митохондрий.