7.6. Миофибриллогенез

Под термином миофибриллогенез понимается формирование в мышечном волокне специальных органелл — миофибрилл. Итак, после третьего этапа синтеза сократительных белков в мышечном волокне синтезируются молекулы различных белков: миозина, акти-

* Триплет — комбинация из трех последовательно расположенных нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты.

на, тропомиозина, тропонина и многих других. Каким же образом из этих молекул формируется структурная единица саркомера, состоящая из одного толстого и шести тонких филаментов? Каким образом увеличивается число миофибрилл, а также площадь их поперечного сечения?

Установлено, что толстые и тонкие филаменты формируются путем самосборки. В растворах слабой ионной силы молекулы миозина начинают агрегировать (собираться) в более сложные структуры — толстые филаменты. При этом миозиновые молекулы объединяются «хвост в хвост» и образуются биполярные нити. Этот процесс продолжается за счет добавления молекул миозина на каждом конце нити до тех пор, пока их длина не достигнет 1,5 мкм. К этому времени они становятся похожими на толстые филаменты. Следует заметить, что процесс образования такой сложной структуры, как толстый филамент, очень чувствителен к показателю рН. Вне области физиологических значений рН (7,2—7,5) агрегация (самосборка) часто происходит нерегулярно, так что возникают разветвляющиеся структуры и очень длинные агрегаты (Дж. Бендолл, 1970). Из этого следует, что смещение рН в мышцах в кислую сторону, что имеет место при накоплении молочной кислоты в мышцах, отодвигает сборку миофибрилл до того момента, пока рН мышц не достигнет физиологических значений.

Тонкие филаменты также формируются путем самосборки. После того как на рибосомах синтезируется полипептидная цепь белка актина, она автоматически сворачивается в G-форму, которая представляет собой третичную структуру белка. При этом молекулы глобулярного актина (G-актина) в присутствии АТФ, ионов магния (Mg2+) и калия (К+) полимеризуются в длинные нити фибриллярного актина (F-актина), составляющего основу тонкого филамента. После этого нити фибриллярного актина скручиваются в двойную спираль.

Если в растворе находятся толстые и тонкие филаменты, то они вступают друг с другом в связь и возникает так называемый актомио- зиновый комплекс {сот). В результате взаимодействия между толстыми и тонкими филаментами возникают структуры с периодическим чередованием толстых и тонких филаментов, сходные с натуральными по- перечно-полосатыми миофибриллами. При этом значительно повышается вязкость раствора.

В 40-х годах XX века Альберт Сент-Дьерди показал, что возрастание вязкости уменьшается, если в раствор добавить молекулы АТФ. Было доказано, что добавление АТФ в раствор вызывает диссоциацию акто- миозинового комплекса на актин и миозин. Если же актомиозиновый комплекс помещался в раствор, содержащий ионы калия, магния и молекулы АТФ, актомиозиновые нити сокращались. В тех же условиях нити, образованные только из миозина, не сокращались. Эти опыты позволили установить, что мышечное сокращение возникает в результате взаимодействия миозина, актина и АТФ (Л. Страйер, 1985).

На последней стадии морфогенеза миофибриллярного аппарата приводится в соответствие поперечная исчерченность соседних миофибрилл (Е.К. Жуков, 1974), то есть формируется цитоскелет мышечного волокна. Ответственными за поперечную исчерченность являются цитоскелетные белки, к одним из которых относится десмин. Этот белок связывает Z-диски соседних миофибрилл. Показано, что в процессе регенерации миофибрилл после эксцентрических упражнений увеличивается синтез десмина и происходит перестройка цитоскелета мышечного волокна (J. Friden, U. Kjorell, L.E. Thornell, 1984; J. Frieden, R.L. Lieber, 1992).

Таким образом, общая картина морфогенеза миофибриллярного аппарат следующая. На первой стадии происходит сборка исходных белковых составных частей в неисчерченные нитевидные структуры миофиламентов. На второй стадии осуществляется распределение образовавшихся компонентов в поперечно-полосатые структуры — миофибриллы. На третьей стадии происходит приведение в соответствие расположение саркомеров в соседних миофибриллах (Е. К. Жуков, 1974).

При рассмотрении параметров, влияющих на поперечное сечение мышечного волокна, было показано, что его увеличение может осуществляться за счет миофибриллярной гипертрофии — возрастания количества миофибрилл и их объема. Теория повреждения миофибрилл позволяет объяснить этот феномен.

В детском возрасте миофибриллы «растут» с увеличением длины конечностей (J. D. MacDougall, 2003). Так как при росте конечностей мышца находится в постоянном растяжении, миофибриллы постепенно увеличивают свою длину. Это происходит за счет того, что на концах миофибрилл осуществляется их «достройка» посредством сборки дополнительных саркомеров. Таким способом увеличивается длина миофибрилл.

Возможен также полный поперечный разрыв миофибриллы. При этом каждая «культя» увеличивает свою длину посредством достройки (сборки дополнительных саркомеров). В результате вместо одной миофибриллы получаются две.

Рис. 7.3. Продольное расщепление миофибриллы двуглавой мышцы плеча мыши: а — начало расщепления миофибриллы в области двух Z-дисков; б — расщепленные миофибриллы (G. Goldspink, 1971)

Доказано также продольное расщепление миофибрилл. Это происходит тогда, когда объем миофибриллы (или ее поперечное сечение) становится очень большим и достигает критических значений. Чаще всего расщепление миофибриллы начинается в области Z-дисков (рис. 7.3). При этом в центре диска появляется небольшое отверстие, которое затем расширяется. В результате образуются две «дочерние» миофибриллы (G. Goldspink, 1970, 1971). Причину продольного расщепления миофибриллы G. Goldspink (1971) видит в том, что тонкие филаменты прикрепляются к Z-диску под небольшим углом. При развитии напряжения мышцы этот угол увеличивается, сила тяги тонких филаментов возрастает и повреждает Z-диск. Если напряжение мышцы происходит очень быстро, что имеет место в быстрых мышечных волокнах, Z-диски повреждаются еще быстрее и чаще происходит расщепление миофибрилл. Поэтому, как считает G. Goldspink (1971), миофибриллы в быстрых мышечных волокнах, как правило, небольшие, в то время как в медленных — более крупные.

Новые миофибриллы могут возникать в результате деления и объединения клеток сателлитов. Таким способом может увеличиваться число миофибрилл в мышечном волокне.

Поперечное сечение миофибрилл возрастает за счет добавления синтезированных толстых и тонких филаментов на их поверхности (Е. К. Жуков, 1974; J. D. MacDougall, 2003). Однако плотность упаковки миофиламентов не возрастает, расстояние между толстым и тонкими филаментами не меняется. Так как увеличение количества миофибрилл и их объема влияет на объем мышечного волокна, возникает гипертрофия мышечных волокон по миофибриллярному типу.