13.1.2. Хімічний склад м’язів

Вагомий внесок у вивчення біохімії м’язової тканини зробили вчені української біохімічної школи – О.В.Палладін, Д.Я.Фердман, С.О Костерин і особливо М.Д.Курський.

Хімічний склад м’язів вивчається не в окремо взятих мікроскопічних елементах, а в загальній масі. В скелетних м’язах теплокровних тварин міститься 73-78% води і 22-27% сухого залишку. Сухий залишок складають: білки – 17-21%, глікоген – 0,5-3,0%, фосфоліпіди – 0,02-1,0%, холестерин – 0,02-0,23%, креатинін – 0,003-0,005%, АТФ – 0,25-0,40%, креатин і креатинфосфат – 0,2-0,55%, карнозин – 0,2-0,3%, молочна кислота − 0,01-0,02%, неорганічні речовини – 1,0-1,5%. В м’язах холоднокровних тварин води дещо більше − 80-82%.

В працюючому до втоми м’язі вміст води зростає до 80-83%. Причиною цього є значне утруднення відтоку води від напруженого м’яза. Вміст води в м’язах, як і в організмі вцілому, залежить від віку. Чим молодший організм, тим більше в його м’язах води.

Білки м’язової тканини поділяють на три групи: саркоплазматичні (35%), міофібрилярні (45%) та білки м’язової строми (20%).

До білків саркоплазми належать білки-ферменти, що каталізують процеси окисного фосфорилювання (локалізовані у мітохондріях), ферменти гліколізу, азотистого і ліпідного обміну (містяться у саркоплазмі). До цієї групи належать також міоглобін, глобулін Х, міоальбумін, міоген.

Особливу роль виконує міоглобін. У м’язових клітинах кисневий обмін здійснюється завдяки міоглобіну. Міоглобін більш споріднений до кисню, ніж гемоглобін. Сполучаючись з киснем крові, цей білок забезпечує депонування 15% кисню. У тренованих мʼязах кількість міоглобіну значно більше, ніж у нетренованих, завдяки чому значно збільшується киснева ємність організму. У процесі посилення м’язової роботи міоглобін віддає свій кисневий запас мітохондріям, де відбувається ресинтез АТФ в аеробних умовах (окиснювальне фосфорилювання). Багато міоглобіну в м’язах дельфіна, тюленя (15–30 % від cухого залишку м’язової тканини), а також у людей, професія яких вимагає тривалої затримки дихання (збирачі перлин, спортсмени підводного плавання тощо).

Міоген є гетерогенною фракцією білків м’язів. Цей простий глобулярний білок становить у середньому близько 30% їх загальної маси. Складається з міогену А і міогену В. Міоген А володіє ферментативною активністю альдолази (розщеплює 1,6-дифосфат до фосфодіоксіацетону і 3-фосфогліцеринового альдегіду). Міоген В ферментативно неактивний.

Глобулін Х – гетерогенний білок, що залишається в м’язовій тканині після виділення міогенової фракції. За хімічними властивостями він подібний до глобулінів. Володіє ферментативною активністю. Становить у середньому 20% загальної кількості білків тканини.

Міоальбумін. За хімічними властивостями цей білок м’язів подібний до альбумінів крові. Його багато в м’язах ембріонів і в гладеньких м’язах.

Міофібрилярні білки представлені скоротливими білками − міозином, актином, актоміозином, а також регуляторними білками − тропоніном, тропоміозином, α- та β-актинінами. Міофібрилярні білки забезпечують скоротливу функцію м’язів.

Міозин є одним з основних скоротливих білків м’язів і становить 55% від загальної кількості м’язових білків. З нього побудовані товсті нитки міофібрил. За хімічною природою – глобулін. В молекулі міозину розрізняють довгу фібрилярну частину і глобулярні структури (головки). Фібрилярна частина складається з двох поліпептидних ланцюгів, скручених у спіраль (рис. 13.4 а). В складі молекули міозину шість субодиниць: два важкі поліпептидні ланцюги (молекулярна маса 200 тис.) і чотири легкі (молекулярна маса 1500-2700), розміщені в глобулярній частині. Основною фунцією фібрилярної частини міозину є здатність утворювати добре впорядковані пучки міозинових філаментів або товсті протофібрили (рис. 13.4 б, в).

Рис. 13.4. Схема будови молекули міозину (а), міозинового пучка (б), міозинової нитки (в)

На головках молекули міозину розміщені активний центр АТФ-ази і актинзв’язуючий центр, які забезпечують гідроліз АТФ і взаємодію з актиновими філаментами.

В присутності йонів Ca²⁺ підвищується АТФ-азна активність міозину і швидкість гідролізу АТФ:

Ca²⁺-АТФ-аза

АТФ + Н₂О → АДФ + Н₃РО₄ + енергія (∆Gº=30 кДж/моль).

Енергія використовується для зміни конформації міозину і генерації напруги між товстими і тонкими нитками в м’язі, що скорочується. За допомогою йонів Mg²⁺ міозин здатний приєднувати молекули АТФ і АДФ, а також взаємодіяти з молекулами актину, що знаходяться в складі тонких ниток міофібрил.

Міозин відрізняється від інших білків своєю нестійкістю, навіть при оптимальних умовах; при зберіганні він поступово змінюється і втрачає свої вихідні властивості. Особливо чутливий міозин до слідів металів. При повільній денатурації молекули агрегують (злипаються) і розчинність міозину знижується.

Актин – другий скоротливий білок м’язів, який складає основу тонких ниток (рис. 13.5). Виділений з м’язів у 1942 році угорським дослідником Ф.Б. Штраубом. Є глобулярним білком. Актин може бути у вигляді мономеру (М=70000), а також у вигляді димеру (М=140000). Відповідно до цього є дві форми актину: глобулярна (G-А) і фібрилярна (F-А), які можуть переходити одна в одну. Перетворення глобулярної форми актину на фібрилярну зумовлюється поєднанням окремих глобул у ланцюг. G-А – глобулярний білок з молекулярною масою 42 тис., складає 25% загальної маси м’язового білка. В присутності йонів Mg²⁺ актин полімеризується з утворенням нерозчинного філамента у вигляді спіралі і перетворюється у F-А. G- та F-актин не володіють ферментативною активністю. Кожна молекула G-А здатна зв’язувати один йон Са²⁺ і одну молекулу АТФ чи АДФ. Процес полімеризації актину проходить за наступним механізмом:

n(G-А-АТФ) → (G-А-АДФ) + F-А + nФ_н

Актин здатний взаємодіяти з міозином, утворюючи актоміозиновий комплекс у молярному співвідношенні приблизно 1:1. Актоміозиновий комплекс може дисоціювати в присутності АТФ і Mg²⁺. Актоміозин знаходиться в усіх м’язових волокнах людини та тварин, забезпечуючи процеси скорочення м’язів та рух органел клітин.

До складу тонких ниток входять і мінорні білки – тропоміозин, тропонін, актиніни.

Рис. 13.5. Схема будови актинової нитки

Тропоміозин (Тм) – структурний білок актинової нитки. За властивостями подібний до міозину. До складу тропоміозину входять 18 амінокислот, особливо багато лізину, аланіну, глутамінової кислоти. Являє собою витягнуту у вигляді тяжа молекулу (молекулярна маса 50 тис.). Два поліпептидні ланцюги Тм обгортають актинові нитки (рис. 13.5). На кінцях кожної молекули тропоміозину розміщені білки тропонінової системи, наявність якої характерна лише для поперечно-смугастих м’язів.

Тропонін (Тн) – регуляторний білок актинової нитки. Складається із трьох субодиниць – ТнТ, ТнІ, ТнС. Тропонін Т (ТнТ) забезпечує зв’язування з тропоміозином, тропонін І (ТнІ) – блокує (інгібує) взаємодію актину та міозину, тропонін С (ТнС) – Са²⁺-зв’язуючий білок (чотири йони Са²⁺ на одну молекулу білка). Тропонін-тропоміозинова система за відсутності йонів Са²⁺ в стані спокою гальмує змикання поперечних містків з актиновими нитками і блокує АТФ-азну активність міозинових головок.

Крім цих білків у м’язовому скороченні приймають участь і α- та β-актиніни. -актинін знаходиться на вільних кінцях актинового філаменту в центрі саркомера. Він впливає на полімеризацію актину. Із Z-мембрани виділені -актинін (М=180 кДа), філамін (М=240 кДа), десмін (М=50 кДа). Філамін і -актинін виявлені всередині Z-мембран. Ці білки утворюють поперечні містки між актиновими нитками, збираючи їх в пучки і прикріпляючи їх до Z-мембран. Десмін локалізований на периферії Z-мембран та в місцях, де вони з’єднуються з сарколемою.

Білки м’язової строми – це білки, які залишаються в м’язовій тканині після екстракції білків саркоплазми та міофібрил сольовими розчинами. Становлять 15-20% загальної кількості білків м’язів. До їх складу входять структурні (колаген, еластин, нейрокератин) і ферментні (АТФ-аза, АМФ-аміногідролаза) білки.

Ліпіди мʼязів представлені нейтральними жирами, стеринами, стеридами, гліколіпідами, фосфатидами. М’язи містять в середньому близько 1% ліпідів, але в їх розподілі, а також у співвідношенні окремих ліпідів в різних м’язах є суттєві відмінності. Загальний вміст стеринів і стеридів коливається в межах 0,03-0,23%, фосфатидів – 0,4-1%.

Нейтральні жири м’язів є резервними жирами, які розташовуються між окремими м’язовими волокнами в сполучній тканині; їх присутність не є обов’язковою. Холестерин і фосфатиди – необхідні складові частини всіх м’язів. Серцевий м’яз містить приблизно в два рази більше холестерину і фосфатидів, ніж скелетна мускулатура; в гладеньких м’язах багато холестерину і мало фосфоліпідів. В деякій мірі між вмістом ліпідів і працездатністю м’яза спостерігається певний взаємозв’язок: м’язи, які постійно працюють з великим навантаженням містять більше холестерину і фосфоліпідів. Відповідно у вмісті цих речовин існують значні індивідуальні коливання, зумовлені рівнем рухової активності відповідних м’язів.

При голодуванні в першу чергу використовуються резервні жири. Нейтральні жири, холестерин і фосфоліпіди залишаються в складі м’язової тканини. Згодом, при тривалому голодуванні, на енергетичні цілі використовуються не лише жири, а й білки м’язів.

Екстрактивні речовини м’язової тканини − це органічні і мінеральні сполуки, які добре екстрагуються водою з подрібненої м’язової тканини. Органічні сполуки поділяють на азотовмісні й безазотисті.

Азотовмісні екстрактивні речовини становлять близько 1% загальної маси м’язів. Вміст небілкового азоту в складі м’язової тканини досягає 0,3-0,9% (300-350 мг%). До них належать АТФ і продукти її розщеплення − АДФ, АМФ, вільні амінокислоти, креатин, креатинфосфат, креатинін, карнозин, карнітин, ансерин, аміак, пуринові та піримідинові сполуки, поліпептиди. Більшість цих речовин перебуває у фосфорильованому стані.

Найбільше значення в енергозабезпеченні м’язової діяльності має відкритий в 1835 році креатин, який синтезується з трьох амінокислот: гліцину, аргініну, метіоніну. Спочатку в нирках з гліцину і аргініну під впливом відповідних ферментних систем утворюється гуанідиноцтова кислота, а з неї і метіоніну в тканинах печінки синтезується креатин.

Креатин з кровʼю надходить у м’язову тканину. Тут, під впливом ферменту креатинкінази, він фосфорилується і перетворюється на креатинфосфат. Понад 50% креатину перебуває у вигляді креатинфосфату, який міститься у скелетних м’язах, серці, мозку, нервовій тканині і приймає участь в енергетичному обміні. Скелетні м’язи, на відміну від інших органів, здатні утримувати значні кількості креатину.

Біологічна роль креатинфосфату полягає у підтриманні в тканинах сталого вмісту АТФ. Вміст креатинфосфату у м’язах в стані спокою у 5-8 разів більший, ніж АТФ, що повністю забезпечує сталий рівень АТФ в період фізичного навантаження. При відсутності м’язових скорочень, під час гліколізу та окисного фосфорилування, поповнюються запаси АТФ і посилюються процеси утворення креатинфосфату.

Кінцевим продуктом обміну креатинфосфату є креатинін, який утворюється при спонтанному неферментативному гідролізі креатинфосфату і виділяється із сечею.

Ансерин – природний дипептид, утворюється з амінокислот 1-метилгістидину і β-аланіну, під час метилування карнозину. Ансерин міститься в м’язах більшості хребетних тварин, в інших тканинах організму він практично відсутній. Біологічна роль ансерину пов’язана з фізіологічною функцією м’язів – забезпеченням скоротливості м’язових волокон. М’язи, що несуть значне функціональне навантаження, відзначаються високим вмістом ансерину.

Вважають, що ансерин впливає на фосфорилуюче окиснення та синтез макроергічних сполук на мембранах мітохондрій, посилює процеси вуглеводного обміну, забезпечує нормальне функціонування клітинних структур та м’язових волокон.

Карнітин − належить до вітаміноподібних сполук. Його ще називають вітаміном В_Т. Молекулярна маса карнітину − 161200. Завжди присутній у тканинах рослинних і тваринних організмів, а також в клітинах бактерій та мікроорганізмів. Значна кількість карнітину міститься у м’язовій тканині. Для деяких видів тварин карнітин є необхідним фактором росту, оскільки він не синтезується в їх організмі. В організмі людини карнітин може частково синтезуватися з лізину.

Біологічна роль карнітину полягає в його участі у багатьох обмінних реакціях організму. Наприклад, він стимулює процеси β-окиснення жирних кислот – є кофактором, який забезпечує транспорт залишків жирних кислот крізь мембрани з цитоплазми в мітохондрії.

Карнозин – природний дипептид, що утворюється з амінокислот гістидину і β-аланіну. Цей імідазолвмісний дипептид входить до складу азотистих сполук, добре розчинний у воді і нерозчинний в етанолі. Значний вміст карнозину виявлено в скелетних м’язах – 150-1000 мг на 100 г тканини. Бере участь в обміні речовин у скелетних м’язах, посилює частоту та силу м’язових скорочень шляхом підвищення ефективності роботи йонних насосів м’язової тканини.

Карнозин є попередником ансерину. У м’язах ссавців (у розрахунку на сиру масу) міститься 0,2-0,3% карнозину, 0,09-0,15% ансерину і 0,02-0,5% карнітину.

Серед амінокислот в м’язовій тканині багато глутаміну і глутамінової кислоти та їхніх амідів (близько 75% усіх амінокислот). Зв’язаний амоніак у вигляді глутаміну використовується тканиною для амінування пуринових і піримідинових основ, карбонових кислот, а його надлишок з кров’ю надходить у печінку, де з нього синтезується сечовина.

У незначних кількостях в м’язах містяться сечова кислота, аденін, гуанін і продукти їх дезамінування – гіпоксантин і ксантин.

До безазотистих екстрактивних речовин м’язів належать глікоген (3-4%) та продукти анаеробного та аеробного обміну вуглеводів: молочна кислота; гексозофосфати (глюкозо-1-фосфат, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1-фосфат та інші); тріозофосфати (фосфодіоксіацетон, 3-фосфогліцериновий альдегід); глюкоза; янтарна кислота; вітамін С; інозит тощо.

Глікоген знаходиться в саркоплазмі у вільному стані або в комплексі з білками. Вміст глікогену в скелетних м’язах коливається в значних межах (від 0,3 до 3%) і залежить від кількості вуглеводів у їжі та ступеня тренованості. При тренуванні збільшується кількість вільного глікогену. Глікоген використовується в м’язах як основний енергетичний субстрат при напруженій роботі. Вже навіть при роботі м’язів тривалістю 0,5-1 хв. кількість глікогену в них різко знижується.

Особливості хімічного складу серцевого і гладеньких м’язів. Серцевий м’яз багатий на воду (78-79%). Сухий залишок, який складає 21-22% маси серця на 80% складається з білків. За своїми властивостями білки серцевого м’язу мало відрізняються від білків скелетних м’язів. Відмінності пов’язані, перш за все, з кількісним складом окремих білків і білкових фракцій. В серцевому м’язі менше креатину (приблизно в два рази) і аденозинтрифосфорної кислоти, проте більше глутаміну і глутамінової кислоти. Вміст глікогену в серцевому м’язі близько 0,5% і майже не змінюється в процесі виконання фізичних вправ. В скелетних м’язах при виконанні напруженої фізичної роботи концентрація цього енергосубстрату може зменшуватися в 2-3 рази.

Порівняно багатий серцевий м’яз на фосфатиди при окисненні яких виробляється значна кількість енергії, необхідної для скорочення міокарду.

Гладенькі м’язи містять близько 75% води. Основу їх сухого залишку складають актоміозин, креатин, АТФ. У складі гладеньких м’язів виявлені сліди ансерину і карнозину; вони бідніші на фосфатиди, багатші на холестерин, тропоміозин та білки строми.