Спокій Збудження

Синаптичні процеси у незбудженому і збудженому синапсах (по л. Щельцину, 1980):

А — ацетат, Х — холін, Хе — холинестераза

Механізм скорочення і розслаблення м'язів

Під час передачі нервового імпульсу через синапс на поверхні мембрани м'язового волокна виникає ПД.

Деполяризація, яка поширюється мембра­ною, захоплює і мембрани Т-трубочок та цистерн СР, що тісно прилягають до них. Це підвищує проникність мембран СР до іонів кальцію, які за градієнтом концентрації надходять усередину міофібрил і розподіляються між актиновими та міозиновими нитками. Йони кальцію є ініціаторами м`язового скорочення.

Тут іони кальцію виконують дві функції:

По-перше, вони зв'язуються з кальмодуліном, чим відкривають ак­тивний центр актину, з яким тут же вступає в реакцію міозиновий місток;

по-друге, нейтралізують негативні заряди АТФ і АТФ-ази містка, внаслідок чого ензим наближається до АТФ і розщеплює її.

Енергія, що виділяється при цьому, витрачається на поворот містка на 45 градусів, який уже зв'язаний з актином.

Після повороту міозинового містка він « випрямляється» і від'єднується від актину, а утворені під час розпаду АТФ неорганічний фосфат і АДФ

відходять.

На їх місце приєднується нова молекула АТФ, що призводить до розриву зв'язку міози­ну з активним центром актину, - відбувається ковзання ниток актину і міозину одна відносно іншої (на "один крок", або « гребок» рівний 20 нм. Все це нагадує роботу гребця в човні). Водночас інший місток приєднується до наступного актинового центру і т.д.

У результаті скоро­чується кожен саркомер окремо і все м'язове волокно в цілому.

Підсумуємо процеси, що відбуваються в м 'язі при його скороченні:

а) актинові і міозитові нитки практично не коротшають;

б) взаємодія актину з міозином призводить до взаємного входження

ниток у проміжки між ними;

в) в результаті дві сусідні 2-мембрани зближуються одна з одною;

г) оскільки саркоплазма, що міститься всередині саркомера, не

піддається стискуванню, то при зменшенні довжини саркомер розширюється;

д) подібні процеси одночасно протікають у всіх саркомерах м'язового

волокна, тому обидва кінці м'яза підтягуються до центру.

Для розслаблення м'яза необхідно, щоб концентрація іонів кальцію у міофібрилі знизилася.

Це досягається за рахунок роботи кальцієвої помпи на мембранах СР, яка активно перекачує туди іони кальцію.

Актоміозинові зв'язки розриваються і м'яз завдяки своїй пружності та еластичності видовжується.

Оскільки робота помпи вимагає затрат енергії, очевидно, що процес м'язового розслаблення супроводжується розпадом АТФ.

Таким чином, енергія АТФ під час м'язового скорочення і розслаблен­ня витрачається на роботу Nа-К-помпи на поверхні мембрани м'язового волокна (створення мембранного потенціалу), на забезпечення роботи кальцієвої помпи на мембранах СР (створення надлишку іонів кальцію у порожнинах СР) і на саме м'язове скорочення (поворот міозинового містка і ковзання протофібрил).

Схема ковзання ниток актина і міозина в процесі скорочення  (по Дж. Бендоллу, 1970):

/ — расслаблення міофибрила, // — розтягнена міофибрила, /// — скорочена міофибрила, зліва — поздовжнє розташування ниток, справа — поперечний переріз.

Електромеханічний зв'язок у м'язі.

При подразненні м'яза через 1-2 мс після піка ПД сила скорочення починає стрімко зростати і скоротлива система повністю активується протягом кількох мілісекунд.

Цей швидкий електромеханічний зв'язок (спряження) між змінами МП і скорочен­ням внутрішньоклітинних міофібрил не може бути зумовлений простою дифузією йонів або медіатору від клітинної мембра­ни до міофібрил, оскільки така дифузія потребує значно більше часу, ніж 1-2 мс.

Отже, деполяризація клітинної мембрани активує скоротливі елементи якимось іншим чином.

Виявляється, що важливою проміжною ланкою між деполяризацією м'язової мем­брани і початком скорочення є проникнен­ня вільних йонів кальцію між міофіламентами.

У стані спокою основна частина Са²⁺ у м'язовому волокні зберігається в цистер­нах ендоплазматичної сітки, оскільки про­никність мембрани цистерн для Са²⁺ у спокої мала, а його витік під час скорочен­ня компенсується сталою роботою каль­цієвого насоса, який затягує їх назад у цис­терни.

Функцію кальцієвого насоса виконує кальційзалежна АТФ-аза (Са²⁺ АТФ-аза), що розщеплює АТФ із виділенням енергії, яка використовується для закачування Са²⁺ до цистерн ендоплазматичної сітки. Ось чо­му концентрація Са²⁺ у саркоплазматичному матриксу дуже низька (10"⁸моль/л) у стані спокою волокна і дуже висока (10~⁵ моль/л) — в цистернах саркоплазматичної сітки.

Вихід Са²⁺ за концентраційним градієн­том починається під час деполяризації мембрани цистерн ендоплазматичної сіт­ки, що викликає відкриття в ній кальцієвих каналів. Збільшення концентрації Са²⁺ у саркоплазматичному матриксі відразу піс­ля стимуляції було виявлено за допомо­гою введення у нього білка екворину, який світиться за наявності Са²⁺.

Активація (деполяризація) мембрани цистерн ендоплазматичної сітки відбу­вається під час поширення ПД сарколе­ми, зовнішньої м'язової мембрани, на попе­речні трубочки Т-системи.

ПД Т-системи м'язового волокна, що виникає при цьому, реєструється внутрішньоклітинним мікроелектродом як додатковий і розтягнутий за часом пік, розміщений па низхідній частині ПД сарколеми (мал. 130, а). ПД попереч­ної трубочки впливає своїми локальними коловими струмами на мембрану ендоплаз­матичної сітки, спричинюючи її деполяри­зацію.

Деполяризація спричинює виділення Са²⁺ з термінальних цистерн, звідки ці йони од­разу потрапляють до тієї ділянки міофіб­рили, де починається процес скорочення.

Отже, скоротливий акт виникає внаслідок ланцюга послідовних процесів: ПД сарко­леми —> ПД поперечних трубочок —> депо­ляризація мембрани цистерн ендоплазма­тичної сітки —> вихід Са²⁺ у саркоплазма-тичний матрикс —> взаємодія Са²⁺ з міо­фібрилами (троионін-троиоміозиновою системою) —> скорочення м'язового во­локна.

Функціональний електромеханічний зв'я­зок між сарколемою і міофібрилами може бути порушений штучно, наприклад при обробці м'яза гіпертонічними розчинами гліцерину (400-800 ммоль/л). У цьому випадку Т-система руйнується внаслідок вакуолізації, зникає ПД поперечних трубо­чок і, хоча є ПД сарколеми, скоротлива ре­акція не виникає (див. мал. 130, б).

Вивільнення Са²⁺з цистерн саркоплазматичиої сітки припиняється після закін­чення піка ПД, але скорочення триває доти, доки в саркоплазматичному матриксі зберігається висока концентрація Са²⁺. Лише після її зниження внаслідок роботи кальцієвого насоса поступово настає розслаблення м'язового волокна.

Молекулярний механізм скорочення м'яза.

Насамперед ті йони кальцію, які по­трапили з цистерн ендоплазматичної сітки до саркоплазматичного матриксу, тобто у міофібрилярний простір, зв'язуються з тропопіном тонких актинових міофіламентів (два йони кальцію приєднуються до однієї моле­кули трононіну). Внаслідок цього виника­ють конформаційні зміни молекули троно­ніну: вона деформується так, що штовхає тропоміозин у жолобки між закрученими нитками актину — в активоване положен­ня (див. мал. 131, б). При цьому зникає перешкода контакту між голівками моле­кул міозину товстого міофіламента і моно­мерами актину тонкого міофіламента, які, з'єднуючись між собою через поперечні містки, утворюють актоміозиновий комп­лекс (мал. 131, а, б).

Одночасно актоміозиновий комплекс набуває АТФ-азної активності і розщеп­лює приєднану до голівки молекули міо­зину молекулу АТФ до АДФ. Відразу після цього голівка молекули міозину за рахунок енергії, виділеної під час розщеп­лення молекули АТФ, повертається на 45° (див. мал. 128, б), розвиваючи певне на­пруження, яке передається на її шийку.

Завдяки еластичним властивостям шийки міофіламенти просуваються (ковзають) один повз одного до центра міомера. Такий поворот голівки молекули міозину нагадує рух весла (див. мал. 128).

За одне таке "веслування" міомер скорочується лише на 20 нм (= 1 % своєї довжини). Після закінчення одного акту "веслування" нова молекула АТФ заміщує молекулу АДФ па голівці молекули міозину, розриває актом­іозиновий комплекс, і м'язове волокно роз­слаблюється. Якщо м'яз скорочується на половину своєї довжини, то в кожному міомері має відбутися 50 веслувальних рухів, кожен з яких ініціюється окремим ПД. У випадках, коли у м'язовому волокні АТФ немає, молекули актину і міозину не роз'єд­нуються, і утворюється стійкий ригор-комплекс, який виявляється у вигляді закля­кання м'язів.

Розщеплення АТФ триває кілька мілісекупд. На цьому цикл перетворення хіміч­ної енергії па механічну закінчується і по­чинається підготовка до другого циклу.

Цей цикл полягає у приєднанні нової моле­кули АТФ до голівки молекули міозину, роз'єднанні актоміозину, відновленні бло­кувальної дії тропоміозином молекули акти­ну внаслідок зменшення концентрації Са²⁺ у саркоплазматичному матриксі, спричине­ного закриттям кальцієвих каналів цистерн та постійної роботи кальцієвого насоса.

Отже, під час скорочення м'яза енергія АТФ використовується для трьох голов­них процесів:

- роботи натрій-калієвого на­соса сарколеми під час збудження;

- кон­формації міозинових молекул та ковзання міофіламентів;

- роботи Са²⁺-насоса цистерн агранулярної ендоплазматичної сітки.