2.6.7.1. Механизм скольжения нитей

Миозиновые нити состоят из двух пар легких цепей миози¬на, переплетенных между собой, и двух тяжелых цепей, также переплетенных между собой. Каждая цепь тяжелого миозина имеет на своих концах выступы (поперечные мостики), утол¬щенные на конце и направленные в сторону активных нитей (см. рис. 2.13). Это утолщение называется головкой попереч¬ного мостика миозиновой протофибриллы. Актиновая нить состоит из двух закрученных одна вокруг другой цепочек (по¬добно скрученным ниткам бус) глобулярных молекул актина. В желобках между двумя нитями актина лежит нить тропомио- зина, к которой с шагом в 40 нм прикреплен тропониновый комплекс. Он объединяет три основные субъединицы белка:

• тропонин С связывает Са2+;

• тропонин J (ингибирующий) подавляет процесс гидро¬лиза АТФ актомиозиновым комплексом;

• тропонин Г фиксирует тропониновый комплекс к тро- помиозину.

Тропомиозиновая нить в состоянии покоя мышцы распо¬лагается так, что предотвращает прикрепление головок попе¬речных мостиков миозина к активным центрам актиновых протофибрилл.

В состоянии покоя миозиновый мостик заряжен энергией (миозин фосфорилирован), но он не может соединиться с нитью актина, так как между ними находится система из ни¬тей тропомиозина и глобул тропонина. При возбуждении ПД распространяется по мембранам Т-системы внутрь мышечно¬го волокна и вызывает высвобождение Са2+ из цистерн рети- кулума в протофибриллярное пространство, где он взаимо-действует с тропонином С. При этом происходит изменение пространственного положения субъединиц тропонина. В ре¬зультате конформационных изменений тропонина смещается связанная с ним нить тропомиозина и открываются активные участки молекул актина. Соединение миозиновой головки с актином приводит к изменению ее пространственного поло¬жения («сгибанию» головки) и перемещению нити актина на один шаг (на один «гребок») к середине саркомера. Один «гребок» головки уменьшает длину саркомера на 10 нм. Затем под влиянием АТФ происходит отсоединение головки от ак¬тина. Ритмические прикрепления и отсоединения «гребущих» головок миозина создают силу, которая перемещает актино- вую нить и вместе с ней Z-мембрану к середине саркомера, что и приводит к укорочению мышечного волокна и(или) увеличению его напряжения.

При отсутствии повторного импульса возбуждения кон¬центрация Са2+ в протофибриллярном пространстве умень¬шается, так как они закачиваются кальциевым насосом в сис¬тему цистерн саркоплазматического ретикулума. Это приво¬дит к отсоединению его от тропонина, после чего тропонин восстанавливает свое первоначальное пространственное по¬ложение, а тропомиозин опускается в желобки и снова бло¬кирует активные центры актина. Вместе с тем за счет АТФ происходит фосфорилирование миозина. Таким образом, АТФ не только заряжает энергией сократительные элементы для следующего цикла этого процесса, но и способствует раз¬общению актиновых и миозиновых нитей (разрушение акто- миозиновых комплексов). Удлинение (расслабление) мышцы после ее сокращения является процессом пассивным, поско¬льку актиновые протофибриллы легко скользят в обратном направлении под влиянием сил упругости сократившихся мышечных волокон и мышцы, а также растягивающих их сил сокращающихся мышц-антагонистов.

Сравнительная характеристика физиологических свойств скелетных и гладких мышц.

Физиологические свойства скелетных мышц обеспечивают их функционирование. К ним относятся:

• возбудимость — способность отвечать на действие раз¬дражителя возбуждением;

• проводимость — способность проводить возбуждение из места его возникновения к другим участкам мышцы;

• сократимость — способность мышцы изменять длину или напряжение в ответ на действие раздражителя;

• лабильность — способность мышцы сокращаться в соот¬ветствии с частотой действия раздражителя. Лабильность скелетных мышц находится в пределах 200—300 Гц.

При непосредственном раздражении мышцы (прямое раз¬дражение) или опосредованно через иннервирующий ее дви¬гательный нерв (непрямое раздражение) возникает мышечное сокращение — укорочение мышцы, благодаря которому она способна совершать работу.

Возбудимость мышечного волокна ниже возбудимости во¬локна нервного. Это связано с тем, что МП мышечного во¬локна составляет около —90 мВ, а критический уровень де¬поляризации (КУД) находится на уровне —50 мВ. В нервном

волокне МП составляет —70 мВ, а КУД 50 мВ. Таким

образом, чтобы вызвать возбуждение мышечного волокна, необходимо деполяризовать его мембрану на большую вели¬чину, чем нервного. Следовательно, порог раздражения для мышечного волокна больше, чем для нервного.

Амплитуда ПД мышечного волокна в мышцах туловища и конечностей составляет 120—130 мВ при длительности 2— 3 мс. Возбуждение распространяется по мышечному волокну в этих мышцах со скоростью 3—5 м/с. ПД не затухает при распространении по длине волокна; может распространяться от места раздражения в обе стороны.

Гладкие мышцы, формирующие мышечные слои стенок же¬лудка, кишечника, мочеточников, бронхов, кровеносных сосу¬дов и Других полых внутренних органов, построены из верете¬нообразных одноядерных мышечных клеток (волокон), средняя длина которых 100 мкм, а диаметр 3 мкм. Они не имеют попе¬речной исчерченности, поскольку в них миофибриллы распо¬ложены не строго параллельно друг другу, а хаотично. Клетки в гладких мышцах функционально связаны между собой специ¬альными структурами наружных мембран радом расположен¬ных клеток — нексусами, которые имеют низкое электрическое сопротивление. За счет этих контактов потенциалы действия и локальные (медленные) потенциалы распространяются с одно¬го мышечного волокна на другое, поэтому несмотря на то что двигательные нервные окончания заканчиваются на небольшом числе мышечных волокон, в реакцию вовлекается вся мышца.

В гладких мышцах регистрируются ПД двух типов — пи- кообразные и с выраженным плато. Пикообразные ПД воз¬никают в мышечных клетках толстой и тонкой кишки; их длительность составляет 5—80 мс, характерно наличие следо¬вой гиперполяризации. ПД с выраженным плато имеют дли¬тельность от 30 до 500 мс; такие потенциалы регистрируют в мышечных клетках матки, уретры, некоторых сосудов.

Скорость распространения возбуждения по гладкой мыш¬це составляет 2—10 см/с, что значительно меньше, чем в ске¬летной мышце.

Гладкие мышцы обладают рядом характерных свойств.

Особенностью гладких мышц является их способность к автомашин — способность осуществлять относительно мед¬ленные ритмические и длительные тонические сокращения. Медленные, ритмические сокращения гладких мышц желуд¬ка, кишечника, мочеточников и других полых органов обес¬печивают перемещение их содержимого из одной области ор¬гана в другую. Длительные же тонические сокращения, осо-бенно гладких мышц сфинктеров полых органов, препятству¬ют свободному выходу из этих органов их содержимого или его свободному перемещению из одной области органа в дру¬гую. Гладкие мышцы кишки, мочеточника, желудка и матки развивают периодические тетанообразные сокращения не то¬лько в условиях их денервации, но и после химической бло¬кады нейронов интрамуральных ганглиев. В этом случае со¬кращения возникают вследствие активности мышечных кле¬ток, обладающих автоматией, т.е. пейсмекерных клеток. Эти клетки идентичны по структуре другим гладким мышечным клеткам, но отличаются по электрофизиологическим свойст¬вам. В них возникает спонтанная медленная деполяризация мембраны (препотенциал). При достижении критического уровня происходит дальнейшая деполяризация мембраны (вследствие входа в клетку главным образом Са2+) сначала, как обычно при генерации ПД, до изоэлекгрического уровня, а затем до +20 мВ. Деполяризация сменяется реполяризацией и МП восстанавливается. ПД длится несколько секунд. За ре-поляризацией следует новый препотенциал, который вызыва¬ет следующий потенциал действия, и т.д. Частота спонтанных ПД определяет величину миогенного тонуса гладкой мышцы.

Тонус характерен для гладких мышц стенок внутренних органов. Так, он отчетливо наблюдается у кровеносных сосу¬дов, особенно артерий и артериол. Тонус гладкомышечных клеток влияет на величину просвета сосудов и, следователь¬но, на уровень артериального давления (АД) и кровоснабже¬ния органов. Этот тонус является миогенным, т.е. создается за счет свойств самих миоцитов. В его основе лежат выход некоторого количества ионов Са2+ из цистерн ретикулума под влиянием растяжения стенки сосудов протекающей кровью и активация сократительных белков.

Важным свойством гладких мышц является их пластич¬ность, т.е. способность сохранять приданную им при растя¬жении или деформации форму. Скелетная мышца в норме почти не обладает пластичностью. Эти различия хорошо на¬блюдать при растяжении гладкой и скелетной мышцы. При удалении растягивающего груза скелетная мышца быстро укорачивается, а гладкая остается растянутой. Высокая плас¬тичность гладких мышц имеет большое значение для норма¬льного функционирования органов. Так, например, пластич¬ность мышц мочевого пузыря по мере его наполнения мочой предотвращает значительное повышение давления в нем, что в свою очередь не препятствует оттоку мочи из лоханок по¬чек и не нарушает процесс мочеобразования. Благодаря плас¬тичности гладкая мышца может быть полностью расслаблена как в укороченном, так и в растянутом состоянии.

Реакция на растяжение гладких мышц — уникальное их свойство. Оно заключается в развитии сокращения в ответ на сильное и резкое растяжение. Сокращение гладкомышечных клеток обусловлено нарастающей при растяжении деполяри¬зацией клеток с развитием ПД. Сокращение, вызванное рас¬тяжением, играет важную роль в авторегуляции тонуса крове¬носных сосудов, перемещении содержимого кишки, а также обеспечивает непроизвольное (автоматическое) опорожнение переполненного мочевого пузыря, ампулы прямой кишки в тех случаях, когда нервная регуляция отсутствует в результате повреждения спинного мозга.

В гладких мышцах одиночное сокращение продолжается несколько секунд, поэтому тетаническое сокращение возни¬кает при низкой частоте их стимуляции.

Гладкие мышцы имеют двойную иннервацию, осуществляе¬мую симпатическим и парасимпатическим отделами автоном¬ной нервной системы. Нервные волокна в гладкой мышце оканчиваются своеобразными утолщениями — варикозами, имеющими место по всей длине разветвлений аксонов симпа¬тических и парасимпатических нейронов. В варикозах содер¬жатся гранулы с медиатором, который выделяется при приходе возбуждения. За счет такой организации нервных окончаний по ходу нервного волокна могут изменять свою активность мно¬жество гладкомышечных клеток. Медиаторы, выделяющиеся из вари коз, оказывают на спонтанную активность пейсмекеров гладких мышц модулирующие влияния. Так, например, при на¬несении ацетилхолина на препарат мышцы толстой кишки пей- смекерные клетки деполяризуются до околопорогового (около критического) уровня, и частота ПД возрастает. Инициируемые ими сокращения сливаются, образуя почти гладкий тетанус.

Чем выше частота ПД, тем сильнее суммированное сокраще¬ние. Норадреналин же гиперполяризует мембрану тех же кле¬ток, в результате чего уменьшается частота генерации ПД и, следовательно, уменьшается величина тонуса мышцы.

Особенность возбуждения гладкомышечных клеток прояв¬ляется в том, что ддя этого процесса используется Са2+, не только запасенный в цистернах саркоплазматического рети- кулума, но и поступающий из внеклеточного пространства. Необходимость поступления экзогенного кальция связана с тем, что в гладкомышечных клетках саркоплазматический ре- тикулум развит слабее по сравнению со скелетными мышца-ми. В результате повышения концентрации Са2+ в саркоплаз¬ме активируются сократительные структуры, но механизм ак¬тивации их в гладком волокне отличается от механизма акти¬вации в поперечнополосатом. В гладкомышечных клетках Са2+ взаимодействует с белком кальмодулином. Он активиру¬ет фермент киназу легких цепей миозина, который за счет АТФ фосфорилирует головки миозиновых мостиков. Послед¬ние соединяются с активными центрами актиновой прото- фибриллы и совершают «гребок». Так же как сердечная и скелетные мышцы, гладкие мышцы расслабляются пассивно, но более медленно, так как в них кальциевый насос откачи¬вает Са2+ из цитоплазмы в саркоплазматический ретикулум и межклеточное пространство менее производительно.

Физиология синапса: классификация синапсов, строение, механизм передачи возбуждения через химический синапс. Физиологические свойства химических синапсов.

Синапс — специализированная структура, обеспечивающая передачу сигналов от одной возбудимой структуры к другой. Термин «синапс», введенный Ч. Шсррингтоном в 1897 г., означает «сведение», «соединение», «застежка».

Классификация синапсов

Синапсы классифицируют по различным критериям.

а По местоположению и принадлежности к соответствую¬щим структурам различают синапсы:

• периферические: нервно-мышечные, нервно-секретор¬ные, синапсы ганглиев автономной нервной системы, рецепторно-нейрональные;

• центральные: аксосоматические, аксодендритные, аксо- аксональные, дендросомэтические.

▲ По функциональному признаку различают синапсы воз¬буждающие и тормозящие.

а По механизму передачи сигналов — химические, элект¬рические, смешанные.

А По виду медиатора, с помощью которого осуществляется передача сигналов: холинергические, адренергические, серото- нинергические, глицинергические и т.д.

Строение синапсов с химическим механизмом передачи сигналов

Синапсы этой группы состоят из следующих основных элементов (рис. 2.8):

• синаптического расширения (синаптической бляшки) с синаптическими везикулами;

• пресинаптической мембраны;

• синаптической щели;

• субсинаптической мембраны;

• постсинаптической.мембраны.

Синаптическая бляшка — расширенное окончание аксон- ной терминали, в которой находятся синаптические везику¬лы — пузырьки, содержащие медиатор — химический по¬средник передачи сигнала, митохондрии, необходимые для синтеза медиатора, гранулы гликогена и др. Пресинаптиче- ская мембрана — часть мембраны нервного окончания в обла¬сти контакта его с иннервируемой структурой. Постсинапти- ческая мембрана — часть мембраны иннервируемой структу¬ры. Часть постсинаптической мембраны, которая расположе¬на напротив пресинаптической (или под ней), называется субсинаптической мембраной. Особенностью субсинаптиче- ской мембраны является наличие в ней специальных рецеп¬торов, обладающих разными свойствами.

Часть рецепторов относят к ионотропным, так как их взаи¬модействие с медиатором приводит к открытию ионных ка¬налов мембраны. К числу таких рецепторов относятся Н-хо- линорецепторы скелетных мышц, некоторые типы глутаматных рецепторов мозга, связанных с натриево-калиевыми ка¬налами, обеспечивающие передачу возбуждающих сигналов, а также некоторые типы ГАМК-рецепторов мозга, открываю¬щие хлорные каналы и опосредующие тормозные процессы в мозге.

Другие рецепторы считают метаботропными, так как их взаимодействие с медиатором приводит к изменению обмен¬ных процессов в клетке. К ним относятся, например, альфа- и бета-адренорецепторы гладких мышц сосудов, М-холинорецепторы в автономной нервной системе. Рецепторы чувст¬вительны к определенному медиатору.

В субсинаптической мембране находятся только хемоза- висимые ионные каналы, которые не реагируют на измене¬ние трансмембранной разности потенциалов. В постсинап- тической мембране, за пределами субсинаптической, лока¬лизуются только потенциалозависимые каналы, проводи¬мость которых определяется трансмембранной разностью потенциалов.

Синоптическая щель — межклеточное пространство между пре- и постсинаптическими мембранами, равное 20—50 нм, заполненное межклеточными жидкостью и веществом.

Механизм передачи сигнала в химических возбуждающих синапсах

В синапсах с химической передачей возбуждение переда¬ется с помощью медиаторов — молекул химических ве¬ществ — передатчиков, посредников. Медиаторы в зависимо¬сти от их природы делят на несколько групп:

• моноамины: ацетилхолин, норадреналин, дофамин, се- ротонин, гнетами н;

• аминокислоты: гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глутаминовая, аспарагиновая кислоты, глицин, АТФ;

• полипептиды, в том числе и нейропептиды: вещество П, энкефалины, эндорфины, нейротензин, АКТГ, ангио- тензин, вазопрессин, соматостатин.

Медиатор находится в пузырьках пресинаптического утолщения (синаптической бляшки). Туда он поступает с помощью быстрого аксонного транспорта (аксоток) из око¬лоядерной области нейрона, где он синтезируется. Кроме того, в синаптической бляшке медиатор может ресинтезиро- ваться из продуктов его расщепления в синаптической щели или транспортироваться в нее из щели в неизмененном виде.

В пресинаптическом утолщении находятся также биологи¬чески активные вещества, которые выходят вместе с медиато¬ром и могут модулировать (изменять) характеристики выбро¬са медиатора в синаптическую щель.

Когда по аксону к его терминалям приходит возбуждение, мембрана синаптического утолщения деполяризуется, что со¬провождается поступлением Са2+ из внеклеточной среды внутрь нервного окончания через открывшиеся потенциало¬зависимые кальцевые каналы. Вошедшие Са2+ взаимодейству¬ют с белком кальмодулином, образуя комплекс кальций- кальмодулин, который активирует ферментные системы пре-синаптического окончания. Это вызывает перемещение си- наптических пузырьков к пресинаптической мембране, слия¬ние мембран с последующим выходом медиатора (экзоцито- зом) в синаптическую щель. В ней медиатор диффундирует к субсинаптической мембране, на которой находятся рецепто¬ры. Взаимодействие медиатора с ионотропными рецепторами вызывает открытие хемозависимых каналов преимущественно для Na+. Это приводит к деполяризации субсинаптической мембраны и возникновению так называемого возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП).

В нервно-мышечном синапсе медиатором является ацетилхо- лин, который взаимодействует с ионотропным Н-холиноре- цептором. Возникающий здесь ВПСП называется потенциа¬лом концевой пластинки (ПКП).

Между деполяризованной субсинаптической мембраной и соседними с ней поляризованными участками постсинаптической мембраны, содержащей потенциалозависимые кана¬лы, возникают местные токи, которые деполяризуют эту мем¬брану до критического уровня, с последующей генерацией ПД. Последний распространяется по мембранам мышечного волокна и вызывает его сокращение.

Взаимодействие медиатора с метаботропным рецептором приводит к активации мембранных белков, например G-бел- ка. Эти белки обладают способностью активировать мемб¬ранные ферменты, например аденилатциклазу, превращаю¬щую АТФ в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). По¬следний стимулирует протеинкиназы клетки и таким образом влияет на клеточные обменные процессы. Циклический АМФ называют вторичным посредником между активацией синапса и метаболическим ответом постсинаптической структуры. Существуют и другие вторичные посредники, на¬пример циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), инози- толтрифосфат, диацилглицерол, кальций-кальмодулин, опо¬средующие различные стороны формирования физиологиче¬ского ответа клетки на поступление гуморальных управляю¬щих сигналов или сигналов из ЦНС (механизм работы метаботропных рецепторов подробно рассмотрен в разделе «Автономная нервная система»).

Выход медиатора из пресинаптического утолщения суще¬ственно зависит от величины ее деполяризации, так как по¬следняя определяет, какое количество Са2+ пройдет внутрь синаптической бляшки. В нормальных условиях в нер¬вно-мышечном синапсе в ответ на нервный импульс выделя¬ется около 1 млн молекул медиатора ацетилхолина. Уменьше¬ние деполяризации пресинаптического утолщения сопровож¬дается уменьшением выброса медиатора — торможением си¬наптической передачи.

Выход медиатора в синаптическую щель зависит не только от Са2+, но и от взаимодействия медиатора, находящегося в синаптической щели, с тем или иным видом рецепторов, рас¬положенных на мембране пресинаптического утолщения. На¬пример, связывание норадреналина с ее альфа-2-адреноре- цепторами уменьшает его выход, а связывание с бета-адренорецепторами — увеличивает. Выход медиатора зависит также от действия и других соединений. Например, простагландины группы Е, которые поступают в синаптическую щель из постсинаптической клетки, действуют на пресинаптическую мем¬брану, уменьшая выход норадреналина из адренергического синапса. Следовательно, выделившийся в синаптическую щель медиатор связывается с рецепторами постсинаптиче- ской мембраны, определяя генерацию возбуждения, и с ре¬цепторами пресинаптической мембраны, обеспечивая само¬регуляцию своего последующего выхода в синаптическую щель.

Часть выделившегося медиатора подвергается обратному захвату и транспортировке в синаптическую бляшку с после¬дующим включением в синаптические везикулы. Другая часть подвергается разрушению соответствующим ферментом. Так, например, ацетилхолин разрушается ацетилхолинэстеразой (АХЭ). Продукты его расщепления частично поступают в си¬наптическую бляшку, где из них ресинтезируется ацетилхо¬лин, а частично вымываются интерстициальной жидкостью в кровоток.

Помимо передачи возбуждения, химические синапсы обеспечивают микрохимические взаимодействия контактиру¬ющих клеток, которые отражаются в трофических процессах (процесс клеточного метаболизма). Трофические факторы, реализующие эти взаимодействия, имеют белковую природу и обеспечивают метаболическое поддержание необходимой структуры и свойств этих клеток. Например, устранение свя¬зей мотонейронов с мышечными клетками вызывает, с одной стороны, дегенерацию нейронов, а с другой — значительное увеличение их чувствительности к своему медиатору — ацетилхолину.

Химические тормозные синапсы.

Эти синапсы по механизму передачи информации сходны с синапсами возбуждающего действия. В тормозных синапсах медиатор (например, глицин) взаимодействует с ионотроп- ными рецепторами субсинаптической мембраны и открывает в ней хлорные каналы. Поступление С1~ по концентрацион¬ному градиенту внутрь клетки приводит к развитию гиперпо¬ляризации субсинаптической мембраны; возникает так назы¬ваемый тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП). На фоне ТПСП активация возбуждающих синапсов на мембране клетки не может вызвать деполяризации ее мембраны до кри¬тического уровня, поэтому клетка не отвечает на поступаю-щие раздражения.

Ранее полагали, что каждому медиатору соответствует спе¬цифическая реакция постсинаптической клетки — возбужде¬ние или торможение. В настоящее время установлено, что од¬ному медиатору чаще всего соответствует не один, а несколько различных рецепторов, которые определяют различные реак¬ции на действие одного и того же медиатора. Например, аце- тилхолин в нервно-мышечных синапсах скелетных мышц дей¬ствует на ионотропные Н-холинорецепторы (чувствительные к никотину) и открывает натриевые каналы — возникает ВПСП (ПКП). В синапсах блуждающего нерва на клетках сердечной мышцы тот же ацетилхолин действует на ионотропные М-хо- линорецепторы (чувствительные к мускарину), увеличивая проводимость калиевых каналов, поэтому здесь генерируется тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП). Следова¬тельно, возбуждающий или тормозный характер действия ме¬диатора определяется свойствами субсинаптической мембраны (точнее, видом ее рецепторов), а не видом медиатора.