Этапы цикла мышечного сокращения
1.Когда мышца находится в состоянии покоя, АТФ (Мg++) присоединяется к головке миозина и вызывает ее отделение от актина.
2. В мышцу поступает нервный импульс, срабатывает мостиковый механизм, т.е. образуется актомиозин за счет энергии, которая выделяется при гидролизе АТФ до АДФ и фосфата.
АТФ + Н2О = АДФ + Р1
после освобождения неорганического фосфата из актимиозинового комплекса, головки миозина присоединяются к актиновой нити под углом 90 градусов- это напряженная конформация.
Рис. 14. Схема регуляции этапов цикла мышечного сокращения молекулой АТФ
3. После этого наступает поворот на 45 градусов в шарнирной области. Это происходит за счет конформационных изменений головки, вызванным силовым ударом, связанным с освобождением АДФ. После отделения АДФ от белка миозина происходит основное выделение свободной энергии ( а не при гидролизе АТФ) - 1 цикл.
4. Головка миозина связана с актином ( т.е. комплексом миозин-актин ) в расслабленном состоянии , пока ее не освободит новая порция АТФ в присутствии ионов Мg++ , которая и обеспечивает возврат в первоначальное положение.
5. Последняя стадия и есть собственно раслабление, характеризуется отделением миозина от актина. Роль АТФ и Мg++ в том, что она отсоединяет миозин от актина , фосфорилируя миозин( зарядка свободного миозина), и является движущей силой сокращения. А сокращение происходит при отделении от миозина сначала неорганического фосфата (напряженная конформация), а затем силовой удар.
При истощении запасов АТФ ( или его недоступности) головки миозина остаются прочно сшиты поперечными мостиками. Т.е. актомиозин формирует жесткую структуру ( состояние трупного окоченения). Процесс расслабления мышц происходит практически без затрат энергии.
А теперь рассмотрим как сокращается саркомер- функциональная единица мышцы.
Рис. 15. Общая схема сокращения и расслабления мышечного волокна
Сократительная нить, проходящая по всей длине мышечной клетки, разделена на сегменты, называемые саркомерами. Саркомер ограничен z-дисками слева и справа. , с расстоянием 2,3мкм. На них заякорены тонкие филаменты. , т.е. актиновые нити, своими концами направлены так, что навстречу им смотрят головки миозина (внутри 6 тонких нитей расположена толстая ( рис. вверху). Тонкие нити инертны и служат "храповым" механизмом, к которому прикладывается сила, стягивающая z-диски друг к другу. Следовательно, вся миофибрилла укорачивается как и каждый саркомер, обусловливая тем самым сокращение. Центральное положение толстого филамента обеспечивается при помощи других белков, входящих в саркомер, например, титин - белок с огромной молекулярной масой. Он обеспечивает оптимальное расстояние между актином и миозином. Во время сокращения длина толстых и тонких филаментов не меняется. К актиновым филаментам присоединяется комплекс тропомиозин (тропонин+тропомиозин) и обеспечивает чувствительность актомиозина к ионам Са. В этот комплекс входят также актины α и β. Тропониновая система обеспечивает положение тропомиозина в тонких филаментах а также способность открывать и закрывать актиновую нить для взаимодействия с головками миозина.
Регуляция сокращения мышц ионами Са++
Во всех случаях ключевая регуляторная роль принадлежит ионам Са++.
При деполяризации Са++ проникают в клетки, снижая частоту сокращений, уменьшая доступ Са++ в клетку. Существует 2 главных механизма регуляции сокращения: актиновый и миозиновый.
Актиновая регуляция- характерна для поперечнполосатых мышц: скелетных и миокарда. Основным действующим механизмом регуляции сокращения является аллостерический механизм, представленный в мышце актином, тропомиозином ТпС, Тп I, ТпТ. и ионами Са++. Кальций при уровне 10 -5 моль /л вызывает перемещение нити тропомиозина (путем увеличения его спирализации) относительно актина, что позволяет головке миозина соединяться мостиком с актином. Т.о. тропомиозин обладает способностью регулировать взаимодействие актина и миозина. Тп I предотвращает присоединение миозиновой головки к связывающему сайту актина., изменяя его конформацию через тропомиозиновую систему.
Механизмы регуляции: существует 2 механизма- 1) регуляция уровня Са++ в саркоплазме. В регуляции уровня Са принимает участие фермент Мg++ Са -АТФаза и система Na+ - Ca++ обмена, которые выкачивают Са++ из клетки, поддерживая необходимую концентрацию. Пока нет Са++ в нужной концентрации, миозин-актиновый силовой цикл не включается, т.е. интенсивность сокращения мышц определяется концентрацией Са++ при возбуждении.
Как происходит транспорт Са++ ?
В саркоплазме покоящейся мышцы концентрация ионов Са++ равна 10-7 мол/л. Сокращение происходит при достижении уровня 10-5 мол/л. Каждая миофибрилла мышечной клетки окружена мембранным мешочком саркоплазматического ретикулума, который содержит Са++ Мg++- АТФазу, обеспечивающую перекачку кальция из саркоплазмы в ретикулум против градиента концентрации. Процесс усиливается при фосфорилировании АТФазы цАМФ-протеинкиназой. Этот механизм поддерживает низкую концентрацию кальция (10-3моль/л) в миофибрилле, предотвращая сокращение мышцы. Кальций, связывается с кислыми аминокислотами, попадает в цистерны саркоплазматического ретикулума в результате активного транспорта с помощью белка кальсеквестрина внутри цистерны- кальциевая помпа. Наряду с этим в саркаплазматическом ретикулуме есть белок SR-foot, функционирующий в качестве канала для пассивного транспорта Са++.Обычно он закрыт, но при поступлении к клетке нервного импульса, он открывается и впускает ионы Са++ из просвета саркоплазматического ретикулума (из цистерн) в миофибриллу , вызывая сокращение. Т.е. саркоплазматический ретикулум играет решающую роль в связывании и поглощении ионов Са++. В процессе возбуждения возникает 2 трансмембранных потока ионов, входящих в клетку. Быстрый вход ионов натрия вызывает формирование потенциала действия. ( быстрый канал), и последующий медленный вход ионов Са++ (Са-канал) - это процесс деполяризации сарколеммы называется электронным нарушением СС системы. ( установлено, что ЛЭП создают поля , ускоряющие биохимические реакции с участием Са++, что может привести к нежелательным последствиям).
При гидролизе 1М АТФ в цистернах наккпливается 2 иона Са. Кальциевый насос повышает концентрацию ионов в цистерне до 10-3 М/л, тогда как в саркоплазме она становится10-7 . (Саркомер окружен возбудимой мембраной с поперечными каналами, подходящими к саркоплазматическому ретикулуму. При возбуждении мембраны саркомера, например , при взаимодействии ацетилхолиновых рецепторов с ацетилхолином, кальций быстро высвобождается и ритикулума в саркоплазму, за счет этого концентрация его возрастает до 10-5М/л, при этом тропонин С насыщается Са++, затем комплекс тропонинС х 4Са реагирует с ТпI и ТпТ, влияя на тропомиозин, изменяется конформация актина так, что миозиновая головка с продуктами гидролиза АТФ/АДФ +нР соединяется с актином и идет сократительный цикл. В сердечной мышце основным источником ионов Са++ для возбуждения служит внеклеточная жидкость. Если отсутствует Са во внеклеточной жидкости (Рингер) сокращения миокарда прекращаются меньше чем в течение 1 мин., а скелетная мышца может сокращаться часами в такой ситуации.
Роль Мg АТФ в сокращении мышц. АТФ необходима для размыкания актомиозиновых связей в ходе сокращения мышц. При исчезновении АТФ из саркоплазмы приводит к следующим последствиям:
1. Кальциевый насос саркоплазматического ретикулума перестает поддерживать низкую концентрацию Са++ в саркоплазме.
2. Это приводит к накоплению мостикового механизма- взаимодействию миозиновых головок с F-актином.
3. Не происходит взаимодействия АТФ с головкой миозинаи, следовательно отделения F- актина от миозина(трупное окоченение).