Часть третья элементы частной биофизики

Глава 11 биофизика мышечного сокращения

Вся жизнедеятельность животных и человека нераз­рывно связана с механическим движением, осуществляе­мым мышцами. Все телодвижения, кровообращение, ды­хание и прочие акты возможны благодаря наличию в организме мышц, обладающих специальным белковым сократительным комплексом — актомиозином.

Однако наличие сократительных элементов имеет значение не только при совершении вышеперечисленных макродвижений. В настоящее время накапливается все больше и больше данных о роли сократительных эле­ментов в микропроцессах, в частности при активном транспорте веществ через мембраны и при движении цитоплазмы. Как было установлено, цитоплазма всех клеток находится в постоянном движении. По данным Камия, цитоплазма обладает колебательным, циркуля­ционным, фонтанирующим и другими видами движения, что, несомненно, играет большую роль в протекании ме­таболических процессов в клетках. В настоящее время нет единой точки зрения на причины происхождения этих движений цитоплазмы, однако наиболее вероятной является гипотеза функционирования сократительных элементов, подобных мышечным.

Из приведенного краткого обзора уже ясна огромная роль изучения механизма работы мышц. Кроме того, значение проблемы мышечного сокращения заключает­ся и в том, что изучение механизма прямого превраще­ния химической энергии в механическую, без промежу-

₂₅₁

точного превращения ее в тепловую или электрическук энергию, представляет большой технический интерес открывая перспективы создания нового типа двигателей

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЫШЦ. РАБОТА МЫШЦ

По своим механическим свойствам мышцы относятс* к эластомерам — материалам, обладающим эластич ностью (растяжимостью и упругостью). Если мышц} подвергнуть действию внешней механической силы, тс она растягивается. Величина растяжения мышцы в со­ответствии с законом Гука будет пропорциональна ве­личине деформирующей силы (в определенных преде­лах) :

где dl— абсолютное удлинение мышцы; l — начальная длина мышцы; F — деформирующая сила; S — площадь поперечного сечения мышцы; α — коэффициент упруго­сти. Величина отношения F/S называется механическим напряжением, а величина 1/α — модулем упругости; он показывает величину напряжения, необходимого для удлинения тела в 2 раза относительно начальной длины.

По своим свойствам мышца приближается к каучуку; модуль упругости для обоих этих материалов равен при­мерно 10 кгс/см². Мышцы обладают и другими свойст­вами, присущими каучуку. Как и при растяжении кау­чука, при сильном растяжении мышцы наблюдается ло­кальная кристаллизация (упорядочение макромолекулярной белковой структуры фибриллярного типа). Это явление было изучено методом рентгеноструктурного анализа. При этом освобождается кристаллизационное тепло, в результате чего температура мышцы при растя­жении повышается.

После того как внешнюю силу убирают, мышца вос­станавливает свою длину. Однако восстановление не бы­вает полным. Наличие остаточной деформации характе­ризует пластичность мышцы — способность сохранять форму после прекращения действия силы. Таким обра­зом, мышца не является абсолютно упругим телом, а обладает вязкоупругими свойствами. При очень сильном

растяжении мышца ведет себя как нормальное упругое тело. В этом случае при растяжении температура мыш­цы понижается.

При сокращении мышцы развивается напряжение и совершается работа. Мышцы обладают сократительны­ми и эластическими элементами. Поэтому возникающее напряжение и совершаемая работа обусловлены не толь­ко активным сокращением сократительного комплекса, но и пассивным сокращением, определяемым эластич­ностью или так называемым последовательным упругим компонентом мышцы. За счет последовательного упру­гого компонента работа совершается только в том слу­чае, если мышца была предварительно растянута, и ве­личина этой работы пропорциональна величине растя­жения мышцы. Этим в большой степени объясняется то, что наиболее мощные движения совершаются при боль­шой амплитуде, обеспечивающей предварительное рас­тяжение мышц.

Мышечные сокращения делятся на изометрические— происходящие при неизменной длине мышцы, и изотони­ческие — происходящие при неизменном напряжении. Чисто изометрические или чисто изотонические сокра­щения с большим или меньшим приближением можно получить только в лабораторных условиях при работе на изолированных мышцах. В организме сокращения мышц никогда не бываю чисто изометрическими или чисто изотоническими.

Скелетные мышцы с помощью сухожилий прикрепля­ются к костям, которые образуют систему рычагов. В большинстве случаев мышцы прикрепляются к костям так, что при их сокращении наблюдается выигрыш в амплитуде движений и эквивалентный проигрыш в си­ле. Плечо рычага мышцы в большинстве случаев бывает меньше плеча рычага соответствующей кости. Согласно Аккерману, механический выигрыш в амплитуде движе­ний большинства конечностей человека имеет величину от 2,5 до 20. Для двуглавой мышцы плеча он равен при­близительно 10. При движении костей соотношение плеч рычагов мышц и костей меняется, что приводит к изме­нению напряжения мышц. По этой причине изотониче­ских сокращений в естественных условиях не наблю­дается. По этой же причине в процессе сокращения ме­няются вышеприведенные величины механического вы­игрыша в амплитуде движений,

253

В зависимости от величины силы, которую преодо­левает мышца, скорость сокращения (укорочения) мыш­цы бывает различной. Хилл на основе опытных данных, полученных при работе на изолированных мышцах, вы­вел так называемое основное уравнение сокращения мышцы. Согласно Хиллу, скорость сокращения мышцы v находится в гиперболической зависимости от величины нагрузки F:

где а и b — константы, приблизительно равные ¹/₄ F и соответственно ¹/₄ v. Зависимость (2) графически иллю­стрируется рис. 47.

Байером были сделаны интересные замечания к урав­нению (2). Уравнение (2) приводится к виду

если принять F' = F + а и v' = v+b. Произведение Р^' представляет собой общую мощность, развиваемую мышцей при сокращении. Так как Fv меньше F'v' т. е. внешняя мощность меньше общей мощности, то следует предположить, что мышца совершает не только внеш­нюю работу, но еще и некоторую внутреннюю работу, проявляющуюся в том, что нагрузка как бы увеличи­вается на величину а, а скорость сокращения — на ве­личину b. Эту внутреннюю работу можно интерпретиро­вать как потерю энергии на внутримолекулярное трение в форме теплового рассеивания. Тогда с учетом выска-

₂₅₄

занных замечаний можно отметить, что общая мощ­ность мышцы в физиологических пределах является по­стоянной величиной, не зависящей от величины нагрузки и скорости сокращения.

С термодинамической точки зрения мышца представ­ляет собой систему, которая преобразует химическую энергию (энергию АТФ) в механическую работу, т. е. мышца является хемо-механической машиной.

Как уже отмечалось, при сокращении мышцы про­исходит теплообразование. Хиллом с помощью термо­электрических методов было установлено, что при каж­дом раздражении вначале выделяется постоянная по ве­личине и не зависящая от нагрузки теплота активации Q, а затем теплота сокращения kΔl, пропорциональная сокращению мышцы Δl и не зависящая от нагрузки (k— коэффициент пропорциональности). Если сокраще­ние изотоническое, то мышца производит работу А, рав­ную произведению нагрузки F на величину сокращения: А = FΔl. Согласно первому закону термодинамики, изме­нение внутренней энергии ΔU мышцы будет равняться сумме выделенного тепла и совершенной работы:

(3)

_{Тогда КПД мышечного сокращения будет равен:}

(4)

Учитывая, что величины Q и k не зависят от F, из урав­нения (4) следует, что в определенных пределах КПД мышечного сокращения будет увеличиваться при увели­чении нагрузки.

Хилл на основе полученных им в опытах данных оп­ределил, что КПД мышечного сокращения примерно равен 40%. Если бы мышца работала как тепловая ма­шина с КПД 40%, то при температуре среды 20°С тем­пература мышцы должна была бы быть равной 215°С (!). Величина КПД 40% показывает эффективность пре­вращения энергии АТФ в механическую энергию. Если учесть, что КПД окислительного фосфорилирования, в процессе которого синтезируется АТФ, имеет величину около 50%, то полная эффективность превращения энергии питательных веществ в механическую энергию будет равна приблизительно 20%.

255

^{Механизм мышечного сокращения}

Тонкая структура мышц. Скелетная мышца позво­ночных состоит из нескольких тысяч параллельных мы­шечных волокон диаметром 10 — 100 мкм, заключенных в общую оболочку. К каждому мышечному волокну че­рез концевую пластинку присоединено окончание нерв­ного волокна. Мышечное волокно способно к сокраще­нию под действием нервного импульса и представляет собой функциональный элемент мышечной системы. Протяженность волокна может быть равна длине самой мышцы или значительной ее части. Волокна на каждом конце мышцы переходят в сухожилие, которое прини­мает на себя напряжение при сокращении.

Мышечное волокно в свою очередь содержит 1000— 2000 параллельных мышечных фибрилл (миофибрилл) диаметром около 1 мкм. Весь пучок миофибрилл обтя­нут мембраной мышечного волокна — плазмалеммой. Плазмалемма, подобно мембранам всех других клеток, состоит из трех слоев белков и липидов общей толщи­ной около 10 нм и электрически поляризована. Мем­бранный потенциал достигает 100 мВ. Сверху плазма-лемма покрыта тонким слоем коллагеновых нитей, об­ладающих упругими свойствами.

В мышечном волокне содержится много ядер, распо­лагающихся вблизи плазмалеммы, и большое количест­во митохондрий, находящихся между фибриллами. Ми­тохондрии являются центрами образования макроэрги-ческих соединений, прежде всего АТФ. Отсюда макро-эргические соединения через саркоплазму поступают к фибриллам.

При микроскопическом исследовании видно, что в скелетных мышечных волокнах правильно чередуются темные и светлые полосы, образуя характерную попе­речную полосатость. Поперечная полосатость волокон обусловлена поперечной полосатостью миофибрилл, рас­положенных строго определенно друг подле друга.

Применяя метод электронного микроскопирования и метод рентгеноструктурного анализа, удалось выяснить, что каждая миофибрилла состоит из параллельно лежа­щих толстых и тонких нитей — протофибрилл, чередую­щихся строго определенным образом (рис. 48). Даль­нейшие исследования позволили установить, что толстые нити образованы молекулами белка миозина, а тонкие

256

молекулами белка актина. Длина миозиновых нитей со­ставляет примерно 1,5 мкм, а актиновых 1 мкм; толщи­на — соответственно 16 и 5—7 нм.

В результате чередования толстых и тонких нитей возникает поперечная исчерченность, видимая под мик­роскопом. Для микроскопической картины поперечнопо­лосатой мышцы характерно чередование плотных ани­зотропных полос (их называют А-диски) и светлых изо­тропных полос (I-диски). В А-дисках миозиновые нити образуют гексагональную (шестиугольную) упаковку; именно они обусловливают высокую оптическую плот­ность дисков. Активные нити прикрепляются с каждой стороны к узкой белковой структуре, так называемой Z-мембране, которая пересекает I-диск. Отрезок мио-фибрилл, заключенный между двумя Z-мембранами, называется саркомером. В мышечном волокне в том ме­сте, где оба типа протофибрилл накладываются друг на друга, тонких протофибрилл в пучке в 2 раза боль­ше, чем толстых. Тонкие протофибриллы оканчиваются у края Н-зоны — области с более низкой оптической плотностью, находящейся в середине А-диска. В центре А-диска расположена узкая темная полоска, известная

17 Медицинская биофизика 257

под названием линии М. Считают, что эта линия соот­ветствует небольшому утолщению, которое имеется в центре каждой толстой нити.

Как показали Хэнсон и Леви, актиновые протофиб-риллы имеют форму двойной спирали, образованную глобулярными молекулами актина. Вся структура напо­минает две плотные нитки бус, закрученные одна вокруг другой, где роль одной бусинки играет глобулярная мо­лекула актина. Миозиновые протофибриллы также пред­ставляют собой результат агрегации отдельных молекул миозина. До настоящего времени окончательно не вы­яснено, как происходит соединение молекул миозина в протофибрилле.

При увеличении до 600 000 раз на микрофотографиях продольного среза мышцы можно видеть, что пары тол­стых и тонких протофибрилл соединены поперечными мостиками. Эти поперечные мостики являются единст­венным связующим звеном между протофибриллами и обеспечивают структурную целостность мышцы. В даль­нейшем в результате применения метода рентгенострук-турного анализа было показано, что мостики образова­ны отростками миозиновых нитей, расположенных с ин­тервалом 6 — 7 нм. Мостики соединяют толстую нить с каждой из шести тонких нитей, располагаясь по спира­ли, витки которой повторяются через каждые 40 нм. В центральной части миозиновых протофибрилл мости­ки отсутствуют и на электронной микрофотографии этим участкам соответствует «псевдо Н-зона», обладающая более низкой оптической плотностью, чем Н-зона (см. рис. 48).

Ферментативные свойства актомиозина. Кальциевый насос. В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой (1939) было сделано очень важное открытие; они показали, что наряду с сократительными свойствами миозин обладает ферментативными свойствами, являясь ферментом аде-нозинтрифосфатазой, расщепляющей АТФ. В миофиб-риллах через поперечные мостики миозин образует комплексное соединение с актином. Энергия, выделяю­щаяся в процессе гидролиза АТФ, непосредственно ис­пользуется для сокращения актомиозинового комплек­са. Ферментативная активность актомиозина примерно в 10 раз выше активности одного миозина.

Как показано в работах на препаратах актомиозина, выделенного из мышц, ферментативная активность, а

258

следовательно, и способность к сокращению актомиози-нового комплекса сильно зависят от присутствия в среде ионов кальция. Многие ученые считают, что в отсутст­вие ионов кальция актомиозин вообще не способен рас­щеплять АТФ и сокращаться. При увеличении концент­рации кальция до определенного предела активность актомиозина увеличивается и достигает максимального значения при концентрации кальция, равной концентра­ции АТФ в среде. ПредпЬлагают, что ионы кальция вхо­дят в состав активных центров миозина, локализованных в области поперечных мостиков, и только после этого миозин проявляет АТФ-азную активность. Описанные опыты, а также ряд других заставили прийти к выводу, что непосредственной причиной, вызывающей расщеп­ление АТФ и сокращение миофибрилл, служит появле­ние свободных ионов кальция в саркоплазме. Так, инъекция раствора, содержащего ионы кальция, в сар­коплазму приводит к сокращению мышечного волокна при отсутствии нервного импульса и потенциала дейст­вия мышечного волокна. Наконец, с помощью специаль­ных индикаторов кальция было показано, что в момент сокращения волокна происходит увеличение концентра­ции ионов кальция в саркоплазме.

Согласно современным представлениям, в клетках функционирует специальный кальциевый насос, работа которого вызывает сокращение и расслабление миофиб­рилл. Этот насос, по мнению Бендолла, локализован в мембранах саркоплазматического ретикулума (эндо-плазматической сети) мышечного волокна. Саркоплаз-матический ретикулум состоит из поперечно и продоль­но расположенных в саркоплазме трубочек, цистерн, пу­зырьков, стенки которых имеют типичное мембранное строение. Поперечная система саркоплазматического ретикулума представляет собой впячивания плазмалем-мы, идущие внутрь в виде трубочек и охватывающие каждую фибриллу на уровне соединения А- и I-дисков в мышцах млекопитающих и на уровне Z-мембран у хо­лоднокровных. По поперечным трубочкам саркоплазма­тического ретикулума возбуждение в виде волны депо­ляризации передается от поверхности волокна, возбуж­даемой нервным импульсом, к миофибриллам.

Это подтверждается классическим опытом Хаксли с локальным раздражением мышечного волокна лягушки. Микроэлектродом наносили очень слабое подпороговое

17* 259

раздражение на различные участки волокна. Локаль­ное сокращение нескольких миофибрилл возникало только в случае нанесения раздражения на уровне 2-мембран, где локализованы трубочки поперечного сар-коплазматического ретикулума. От поперечного рети-кулума возбуждение передается расположенному между фибриллами продольному ретикулуму, где локализован кальциевый насос. Предполагается, что в процессе про­ведения возбуждения по мембранам ретикулума основ­ную роль играют не ионы натрия и калия, а ионы каль­ция и магния.

Деполяризация мембран трубочек и пузырьков сар-коплазматического ретикулума приводит к освобожде­нию содержащихся в них ионов кальция. Механизм ос­вобождения ионов кальция пока не установлен. Возмож­но, это связано с увеличением проницаемости мембран для ионов кальция при возбуждении и последующей диффузией их по концентрационному градиенту в сарко­плазму.

Появление свободных ионов кальция в саркоплазме приводит к проявлению АТФ-азной активности актомио-зина и к сокращению миофибрилл. Для сокращения мио­фибрилл необходимо также наличие ионов магния, ме­ханизм действия которых пока не установлен.

Процесс расслабления миофибрилл связан с удале­нием ионов кальция из саркоплазмы, осуществляемым саркоплазматическим ретикулумом. Элементы ретикулу­ма обладают способностью к активному поглощению ионов кальция из окружающего раствора. Препараты саркоплазматического ретикулума, выделенного из мышц путем дифференцированного центрифугирования их гомогенатов, обладают способностью поглощать ионы кальция из раствора. При этом в некоторых случаях кон­центрация кальция внутри пузырьков и цистерн рети­кулума превышала концентрацию кальция в окружаю­щем растворе в 2000 раз. Наличие активного переноса кальция при расслаблении миофибрилл подтверждается и тем, что концентрация кальция в саркоплазме после микроинъекции начинает постепенно уменьшаться, что сопровождается расслаблением миофибрилл. Возможно, как предполагает Бендолл, что обратный перенос каль­ция связан с самим движением протофибрилл при со­кращении, что исключает необходимость наличия специ­ального механизма активного переноса кальция.

260

Прежнее представление, согласно которому расслаб­ление вызывается освобождением специфического фак­тора расслабления — фактора Марша, оказалось оши­бочным. Этот фактор выделялся путем экстракции из го-могенатов мышц. Он содержал ферменты, имеющиеся в саркоплазме, и фрагменты ретикулума. Один из этих ферментов и был принят за фактор расслабления, хотя на самом деле расслабляющее действие оказывали фрагменты ретикулума.

Необходимо отметить, что расслабление миофибрилл при удалении ионов кальция из саркоплазмы происхо­дит только в том случае, если в саркоплазме содержит­ся АТФ. Удаление АТФ из саркоплазмы приводит к воз­никновению между актином и миозином сильных элект­ростатических связей, что обусловливает окоченение (контрактуру) мышцы и потерю ею способности к рас­тяжению.

Таким образом, сокращение миофибрилл вызывается расщеплением АТФ в присутствии ионов кальция, а рас­слабление — поступлением новых молекул АТФ к про-тофибриллам при отсутствии ионов кальция. Регулято­ром сокращения и расслабления миофибрилл является поступление ионов кальция в саркоплазму и их удаление в саркоплазматический ретикулум. Изложенные выше положения получили также подтверждение в опытах с глицеринизированными волокнами, методика получения которых была разработана в 1949 г. Сент-Дьерди. Если с помощью глицерина растворить клеточную оболочку и затем отмыть полученные волокна от глицерина, то можно получить хрупкие нити в состоянии окоченения. Удалив следы кальция и добавив в систему АТФ и ионы магния, получают мягкие растяжимые нити в состоянии расслабления. Если теперь снова добавить ионы каль­ция, то происходит сокращение нитей. Вновь удаляя кальций и добавляя АТФ, можно снова вызвать расслаб­ление волокон.

Восстановление первоначальной длины мышцы после сокращения обусловлено, вероятно, наличием упругих элементов в мышечных волокнах и работой мышц анта­гонистов. Упругими элементами мышечного волокна яв­ляются коллагеновая оболочка, покрывающая плазма-лемму, и, возможно, саркоплазматический ретикулум. Если с волокна снять сарколемму и заставить его сокра­титься, то волокно не может расслабиться спонтанно,

261

хотя легко вытягивается до первоначальной длины при действии внешней силы.

Теории механизма мышечного сокращения. До полу­чения данных о тонкой структуре мышц процессы мы­шечного сокращения пытались объяснить деформацией изолированных молекулярных цепей белков, т. е. удли­нением или укорочением отдельных белковых молекул или агрегатов молекул. Часто данные о деформации различных полимеров переносили на мышечное сокра­щение, без учета структуры мышечных волокон.

Так, в настоящее время известно много полиэлектро-литных полимерных систем, обладающих способностью к изменению длины при изменении химического состава окружающего раствора. Примером такой системы яв­ляется вытянутая цепочка полиакриловой кислоты. При подкислении раствора такая цепочка сокращается, в ще­лочной среде она, наоборот, растягивается. Если подве­сить к ней груз, то можно получить машину, совершаю­щую механическую работу при изменении рН раствора. Существуют также редокс-модели и ионные модели мышц, в которых факторами сокращения являются со­ответственно изменения редокс-потенциала и концент­рации свободных ионов.

Во всех этих моделях изменение длины полимеров происходит в основном в результате изменения элект­ростатического взаимодействия между звеньями поли­мера или между витками спирали в случае спиральных структур.

Существует множество гипотез, пытающихся объяс­нить мышечное сокращение на основе свойств индивиду­альных молекулярных цепей сократительных белков. Все эти гипотезы исходят из представления, что в основе сокращения мышцы лежат процессы конформационных изменений структуры белковых цепей. Так, Мейер еще в 1929 г. выдвинул гипотезу, согласно которой мышеч­ное сокращение обусловлено деформацией пептидных цепей вследствие изменения электростатического взаи­модействия ионогенных групп СООН и NН₂ при измене­нии рН (рис. 49).

В настоящее время считают, что изменение рН при возбуждении миофибрилл недостаточно, чтобы вызвать конформационные переходы белков, но может быть до­статочно для освобождения ионов кальция, которые уже могут вызвать деформацию белковой цепи.

262

Согласно другому представлению, акт сокращения представляет собой конформационный переход белковой структуры от α-конфигурации, когда нити линейно вытя­нуты, к р-конфигурации, когда нити собраны в клубок.

Однако эти гипотезы не смогли объяснить реальную картину сложного строения мышечного волокна на мо­лекулярном уровне, полученную в последнее время. Воз­можно, что при медленном сокращении гладких мышц происходит фактическая деформация (активное сокра­щение отдельных протофибрилл) белковых цепей, как считает Г. М. Франк, однако для сокращения скелетных мышц гораздо более обоснованными являются пред­ставления, исходящие из гипотезы скольжения нитей.

На основе изучения электронно-микроскопических фотографий А. Хаксли, Нидергерке и независимо от них Г. Хаксли и Хэнсон выдвинули гипотезу скольжения ни­тей. Ими было отмечено, что в широком интервале де­формаций как при сокращении, так и при растяжении миофибрилл ширина А-диска остается постоянной. На­против, при изменении длины саркомера изменяется ши­рина I-диска. Светлая Н-зона в А-диске также изме­няется, но замечательно, что до тех пор, пока она суще­ствует, расстояние от конца одной Н-зоны через Z-мем-брану до начала следующей Н-зоны (а это расстояние равно длине тонких нитей в миофибрилле) также остается постоянным. Если вспомнить, что А-диски об­разованы нитями миозина, а тонкие нити состоят из

263

актина, то можно заключить, что в большой области де­формаций мышцы длина миозиновых и актиновых нитей остается постоянной. Это можно объяснить только тем, что при сокращении мышцы нити просто скользят друг относительно друга без изменения своей длины.

При сильном сокращении мышцы в середине А-диска появляется плотная зона, причем ширина этой зоны увеличивается по мере сокращения мышцы. Эта плотная зона появляется после полного исчезновения Н-зоны. Уменьшение Н-зоны при сокращении вызывается скольжением тонких нитей навстречу друг другу к центру А-диска. Измерив расстояние от Z-мембраны до противолежащего конца новой плотной зоны (полосы сокра­щения), Г. Хаксли и Хэнсон обнаружили, что оно равна половине длины тонкой протофибриллы. На этом осно­вании они предположили, что новая зона соответствует тому участку саркомера, где концы противолежащих тонких нитей перекрываются друг с другом (рис. 50, по­ложение IV). Это предположение подтвердилось тем, что на микрофотографии поперечного среза мышцы в области новой плотной зоны было обнаружено в 2 раза больше тонких нитей, чем в остальной области А-диска. Кроме того, при сильном сокращении мышцы после ис­чезновения I-диска в области Z-мембран также появ­ляются темные полосы. Это объясняется тем, что миози-новые нити достигают Z-мембран и после этого происхо­дит их деформация (рис. 50, положение VI).

В дальнейшем данные электронного микроскопирования были подтверждены результатами рентгеноструктурного анализа. Было показано, что основные рефлек­сы рентгенограммы не изменяются при сокращении мышц. Это указывает на то, что длина нитей при сокра­щении не меняется. Приведенные данные очень важны, так как в отличие от электронно-микроскопических ис­следований, проводимых на фиксированных препаратах мышц, рентгенографические исследования проводились и на живых сокращающихся мышцах, и на нефиксиро­ванных ее препаратах.

Перемещение тонких нитей относительно толстых происходит, по мнению указанных авторов, при помощи мостиков, соединяющих миозиновые нити с актиновыми. Так как изменений в длине толстых и тонких нитей во время сокращения не происходит, то из модели сколь­жения нитей вытекает, что конформационные измене-

264

йия, порождающие движение, должны происходить в указанных мостиках, связывающих толстые и тонкие нити. Весь процесс сокращения имеет циклический ха­рактер. Миозиновые мостики прикрепляются к активным участкам актиновых нитей и под действием энергии гид­ролиза АТФ укорачиваются или изменяют угол наклона к миозиновым нитям, что приводит к определенному перемещению нитей друг относительно друга. Затем происходит отсоединение мостиков в данных участках актиновых нитей и присоединение их в новых участках. Этот циклический процесс повторяется многократно, в результате чего происходит непрерывное перемещение нитей друг относительно друга. Рентгенографические исследования подтвердили предположение о движение мостиков. По мнению Г. Хаксли, расщепление одной мо­лекулы АТФ приводит к одному замыканию и размыка­нию мостиков и к перемещению нитей на один элемен­тарный участок.

Как показали А. Хаксли (1958), Дещеревский (1968),. Волькенштейн (1970) и другие ученые, с позиций гипо-

265

тезы скольжения хорошо объясняются все особенности мышечного сокращения. Ими составлялись уравнения сокращения мышцы и производился математический и физический анализ модели скольжения нитей. В резуль­тате этого анализа были теоретически обоснованы тер­момеханические особенности мышечного сокращения, ранее полученные Хиллом эмпирическим путем.

Величина напряжения, развиваемого мышцей, опре­деляется количеством замыкаемых (функционирующих) мостиков. Если мышца преодолевает при сокращении внешнюю силу, то замыкается такое количество мости­ков, которое необходимо для уравновешивания этой си­лы. Максимальная сила, развиваемая мышцей, опреде­ляется количеством мостиков, которые могут замыкать­ся в данных условиях. Исходя из этих представлений, нетрудно объяснить обратную зависимость напряжения, развиваемого мышцей при сокращении, от скорости со­кращения. Для того чтобы мостики замкнулись, необхо­димо какое-то время. При увеличении скорости скольже­ния нитей количество замыкаемых мостиков уменьшает­ся, что обусловливает уменьшение напряжения, разви­ваемого мышцей.

В зависимости от длины саркомеров длина участков, в которых нити актина и миозина перекрываются друг с другом, будет различной и, следовательно, будет раз­лично количество мостиков, участвующих в создании напряжения, развиваемого мышцей. Учитывая, что мак­симальная сила миофибриллы определяется количеством функционирующих мостиков, следует ожидать, что мак­симальная сила изометрического сокращения миофиб­риллы будет изменяться с изменением длины саркоме-ра. На рис. 50 показано, как изменяются пространствен­ные отношения нитей при различной длине саркомеров. При длине саркомера 3,65 мкм (положение I) нити ак­тина и миозина уже не накладываются друг на друга и можно ожидать, что волокно не будет способно разви­вать силу. Под силой сокращения следует понимать раз­ность между общей силой, развиваемой при раздражении мышцей, и упругой восстанавливающей силой, обуслов­ленной эластическими элементами мышцы в случае ее растяжения сверх нормальной длины. По мере сближе­ния 2-мембран нити актина все глубже проникают в промежутки между нитями миозина и, наконец, при расстоянии 2,2 мкм (положение II) все мостики миози-

266

новых нитей приходят в контакт с нитью актина. Если именно эти мостики ответственны за возникновение си-лы, то следует ожидать, что в диапазоне от положения I до положения II сила будет пропорциональна степени перекрывания нитей. При дальнейшем укорочении во­локна чи.сло мостиков, которые могут замыкаться, не изменяется и сила должна оставаться постоянной, пока длина саркомера не уменьшится до 2,05 мкм (положе­ние III). В этот момент нити актина сходятся своими концами и сила должна убывать вследствие того, что тонкие нити, которые проникли дальше середины А-ди-ска, будут неправильно ориентированы по отношению к миозиновым мостикам. Сила должна постепенно убы­вать, пока расстояние не достигнет 1,65 мкм (положе­ние V), когда концы миозиновых нитей приходят в со­прикосновение с 2-мембранами. При дальнейшем сокра­щении нити миозина должны деформироваться; сила должна убывать быстрее и совсем исчезать, когда ак-тиновые нити доходят до противолежащих Z-мембран (положение VI).

Замечательно, что все эти предположения подтверди­лись экспериментально. Гордоном, А. Хаксли, Юлианом (1966) измерялось напряжение, развиваемое мышечным волокном при изометрическом сокращении, и одновре­менно методом фазово-контрастной микроскопии реги-

267

стрировалась длина саркомера. Полученные результаты приведены на рис. 51. Как следует из рисунка, все ра­нее предполагаемые изменения силы сокращения в за» висимости от длины саркомера в точности подтверж­даются экспериментами. Это является, пожалуй, самым убедительным доказательством справедливости гипо­тезы скольжения нитей. Таким образом, изложенной гипотезе в настоящее время можно придать статут те­ории.

Однако, несмотря на большие успехи в изучении ме­ханизма мышечного сокращения, все еще окончательно не установлен механизм работы мостиков, в результа­те которой энергия гидролиза АТФ превращается в ме­ханическую работу.

В настоящее время имеется ряд гипотез, пытающих­ся объяснить конкретный механизм взаимодействия ак-тиновых и миозиновых нитей.

Наиболее глубоко разработанной и обоснованной яв­ляется гипотеза Дэвиса. Согласно этой гипотезе, мостик между миозиновой и актиновой нитями образован поли­пептидными цепочками конца миозиновой молекулы, скрученными в спираль. В покое мостик вытянут — спи­раль находится в растянутом состоянии. Это обусловлено электростатическим отталкиванием двух отрицательных зарядов. Один из них находится в фиксированном со­стоянии у основания мостика, которое обладает АТФ-азной активностью. Другой отрицательный заряд локализован на конце мостика, с которым связана мо­лекула АТФ (рис. 52, позиция 1).

При возбуждении мышцы саркоплазматический ре-тикулум освобождает ионы кальция. Они образуют связь между молекулой АТФ, находящейся на конце мостика, и молекулой АДФ, расположенной на актино­вой нити, что вызывает нейтрализацию отрицательных зарядов (позиция 2). Электростатическое отталкивание исчезает и растянутая цепочка — мостик — скручивается в α-спираль благодаря образованию водородных связей (позиция 3). Этот процесс представляет собой освобож­дение потенциальной энергии, запасенной вытянутой полипептидной цепочкой при первоначальном отталки­вании зарядов. Укорочение полипгптидной цепи с об­разованием α-спирали приводит к двум эффектам. Во-первых, актиновая нить перемещается относительна миозиновой на один шаг; во-вторых, присоединенная

268

молекула АТФ перемещается в область гипотетического АТФ-азного центра. Благодаря соответствующему рас­положению этого центра и наклону мостиков относи­тельно толстой нити актиновые пита перемещаются в сторону М-линий. После этого АТФ расщепляется на АДФ и минеральный фосфат, что ведет к разрыву свя­зей между актином и миозином (позиция 4). На место молекулы АДФ в миозиновом мостике из саркоплазмы поступает новая молекула АТФ, которая отталкивается отрицательным фиксированным зарядом миозина. В ре­зультате этого α-спираль растягивается — мостик удли­няется (позиции 5—6). Если в саркоплазме в это время имеются свободные ионы кальция, то весь цикл повто­ряется сначала.

При этом во взаимодействии участвует уже следую­щий участок активной нити. Если же ионы кальция к

269

этому времени удалены из саркоплазмы, то волокно рас­слабляется.

Впоследствии по схеме Дэвиса были произведены термодинамические расчеты и получены результаты, со­гласующиеся с большой частью экспериментальных данных. При этом модель Дэвиса получила ряд допол­нений и подверглась модификациям. Бендолл (1970) предполагает, что присоединение ионов кальция в обла­сти мостиков приводит к изменению электрического взаимодействия. Нейтрализация отрицательных зарядов и присоединение актина к миозину обусловливают пре­вращение спирали полипептидной цепочки (мостика) молекулы миозина в более беспорядочную, сильно свер­нутую конформацию по типу перехода «спираль — клу­бок».

Такой переход сопровождается освобождением потен­циальной (свободной) энергии, запасенной в более упо­рядоченной структуре — спирали.

Эта энергия частично расходуется на тянущее уси­лие — перемещение нити актина на один шаг, а частич­но деградирует в тепло. Изменение конформации мости­ка одновременно вызывает сближение АТФ с АТФ-азным участком миозина, что вызывает гидролиз. АТФ.

Часть освободившейся энергии рассеивается в виде тепла, а часть ее идет на восстановление спиральной конфигурации мостика, который выпрямляется по мере ресинтеза АТФ или поступления новых молекул АТФ извне. Актомиозиновый комплекс распадается и цикл может повториться, если в системе присутствуют ионы кальция.

При отсутствии в системе молекул АТФ она будет находиться в состоянии окоченения — молекулы актина будут оставаться присоединенными к связывающим центрам миозина.

При очень сильных мышечных сокращениях отме­чается не только продвижение актиновых нитей, но и укорочение саркомеров в целом. По мнению Г. М. Фран­ка с сотрудниками (1966), это связано с прямым уко­рочением миозиновых нитей.

По-видимому, конформационные превращения при сильном сокращении мышц затрагивают не только об­ласть мостиков, но и более значительную часть миозино­вых молекул.

270