Учебник (Ткаченко) - основы физиологии человека Том 1
.pdf
У стероидных гормонов (рис.3.16) мембранный рецептор обеспечивает специфическое узнавание гормона и его перенос в клетку, а в цитоплазме располагается особой цитоплазменный белок-рецептор, с которым связывается гормон. Эта связь с рецепторным белком необходима для поступления стероидного гормона в ядро, где происходит его взаимодействие с третьим — ядерным рецептором, связывание комплекса гормон-ядерный рецептор с хроматиновым акцептором, специфическим кислым белком и ДНК, что влечет за собой: активацию транскрипции специфических мРНК, синтез транспортных и рибосомных РНК, процессинг первичных РНК-транс-криптов и транспорт мРНК в цитоплазму, трансляцию мРНК при достаточном уровне транспортных РНК с синтезом белков и ферментов в рибосомах. Все эти явления требуют длительного присутствия гормон-рецепторного комплекса в ядре.
Рис.3.16. Схема механизма действия стероидных гормонов. Пояснения в тексте.
142
Однако, эффекты стероидных гормонов проявляются не только через несколько часов, которые требуются для такого ядерного влияния, часть из них возникает очень быстро, в течение нескольких минут. Это такие эффекты, как повышение проницаемости мембран, усиление транспорта глюкозы и аминокислот, освобождение лизосо-мальных ферментов, сдвиги энергетики митохондрий. Кроме того, под влиянием стероидных гормонов в клетке увеличивается содержание цАМФ и ионизированного кальция. Таким образом, вполне обоснован взгляд, согласно которому мембранный рецептор стероидных гормонов выполняет не только функцию "узнавания" молекулы гормона и передачи ее цитоплазматическому рецептору, но и, подобно рецепторам пептидных гормонов, активирует систему вторичных посредников в клетке. Следовательно, механизмы действия гормонов разной химической структуры имеют не только различия, но и общие черты. Пептидные гормоны обладают также способностью избирательно влиять на транскрипцию генов в ядре клетки. Этот эффект пептидных гормонов может быть реализован не только с поверхности клетки за счет вторичных посредников, но и путем поступления пептидных гормонов внутрь клетки за счет интпернали-зации гормон-рецепторного комплекса.
Интернализация гормон-рецепторных комплексов происходит за счет эндоцитоза, т.е. активного поглощения с помощью впячивания мембраны, с образованием в цитоплазме пузырька с гормонрецепторными комплексами, который подвергается затем лизосомному разрушению. Тем не менее, в клетках удалось обнаружить и свободные неразрушенные комплексы, способные оказывать и внутриклеточные эффекты.
Феномен интернализации гормонрецепторных комплексов и уменьшения тем самым количества рецепторов к гормону на мембране клетки позволяет понять механизм падения чувствительности эффектора при избыточном количестве гормональных молекул или феномен десенситизации эффектора. Это явление, по сути, является отрицательной обратной регуляторной связью на уровне эффектора. Противоположное явление — сенситизация или повышение чувствительности к гормонам, также являющееся обратной регуляторной связью, может быть обусловлено увеличением числа свободных рецепторных мест на мембране, как за счет падения интернализации, так и в результате "всплывания" активных связывающих участков рецепторов, поскольку в мембране клетки рецепторы свободно перемещаются. Таким образом, гормоны передают клетке информационные сигналы, а сама клетка способна регулировать степень восприятия гормональной регуляции.
3.6.Системный принцип организации механизмов регуляции жизнедеятельности.
Рассмотренные выше нервные и гуморальные принципы регуляции функционально и даже структурно объединены в единую систему нейро-гуморальной регуляции (примером чему является гипота-
143
ламус). При этом начальным звеном такого регуляторного механизма, как правило, является афферентный сигнал на входе системы, а эффекторные каналы информационной связи являются либо нервными, либо гуморальными. Следовательно, принципом реализации механизмов нейро-гуморальной регуляции является рефлекс, имеющий два типа путей передачи эфферентной информации — нервный и гуморальный. Однако, каким бы сложным не был рефлекс, какие бы сложные информационные каналы при этом не использовались, он представляет собой лишь базисный, относительно простой, уровень нервно-гуморальной регуляции жизнедеятельности. Даже в случаях более сложных рефлекторных механизмов (например, приобретенных условных рефлексов цепного характера), регуляторные реакции охватывают лишь некоторые, причем весьма узкие стороны жизнедеятельности. В то же время, организм в целом, эта сложнейшая иерархически упорядоченная система взаимосвязанных структурно-функциональных элементов, остается как бы в стороне. Но именно благодаря тому, что организм является целостной системой, регуляция его жизнедеятельности носит системный характер, т.е. не определяется простой арифметической суммой рефлекторных регуляций составляющих его элементов, а проявляется перестройкой всей совокупности взаимоотношений и взаимосвязей внутри системы.
Сказанное отнюдь не отвергает большую биологическую значимость рефлекторного принципа нейро-гуморальной регуляции, напротив, рефлекторные реакции организма являются начальным звеном более сложного целостного реагирования, конечной целью которого является приспособление живой системы к среде обитания, т.е. оптимизирование жизнедеятельности. Очевидно, что механизмы реализации системного принципа регуляции должны быть весьма сложными и многообразными, особенно принимая во внимание динамичность, т.е. постоянную изменчивость организации и функций живой системы. Регуляция жизнедеятельности организма в условиях, например, низкой температуры окружающей среды не может быть сведена только к рефлекторным реакциям поддержания температуры тела, Динамическая перестройка метаболизма и функций затрагивает все без исключения органы и физиологические системы организма, меняется и характер питания, и образ жизни, и поведение. Изменения затрагивают не только биологическую, но и социальную сущность живой системы. Сенсорные, двигательные и ассоциативные системы мозга в совокупности с центральными аппаратами регуляции висцеральных функций и эндокринной системой обеспечивают системность регуляции жизнедеятельности с целью оптимального ее приспособления к условиям среды.
Одним из установленных механизмов системной организации процессов регуляции жизнедеятельности является общий адаптационный синдром или стресс, представляющий собой совокупность неспецифических и специфических реакций систем нейро-гуморальной регуляции, метаболизма и физиологических функций. Системный уровень нейро-гуморальной регуляции жизнедеятельности проявляется при стрессе в виде повышения устойчивости организма в целом к
144
действию факторов окружающей среды, в том числе и вредных для организма. Физиологические механизмы стресса и его значение для жизнедеятельности излагаются в главе 21.
Другой механизм системной организации регуляции функций был сформулирован П.К.Анохиным в виде концепции о функциональных системах организма и концепции о системогенезе. В качестве функциональной системы рассматриваются динамически складывающиеся единицы интеграции целостного организма, избирательно объединяющие специальные центральные и периферические образования и направленные на достижение результатов приспособительной деятельности. Другими словами, функциональная система есть временное объединение разных уровней организации (клеток, тканей, органов, физиологических систем) и механизмов их регуляции для достижения конкретного, полезного для организма в целом, результата.
Системогенез — процесс формирования функциональных систем, обеспечивающих возможность приспособления организма к условиям окружающей среды. Причиной, ведущей к образованию функциональной системы, или системообразующим фактором, является потребность в конкретном результате приспособительной деятельности, при этом параметры получаемого результата постоянно анализируются за счет обратной афферентации.
Глава 4. Основные характеристики мышечной деятельности
4.1. Скелетные мышцы.
Скелетные (поперечнополосатые) мышцы — это "машины", |
|||
преобразующие химическую энергию непосредственно в механическую |
|||
и тепловую. Сокращение мышц возникает в ответ на электрические |
|||
импульсы, приходящие к ним от |
а- мотонейронов — нервных |
||
клеток, лежащих в передних рогах спинного мозга. Мышцы и иннер- |
|||
вирующие их мотонейроны составляют нервно-мышечный аппарат |
|||
человека. В результате сократительной деятельности скелетных мышц |
|||
осуществляется поддержание позы человека, перемещение частей тела |
|||
относительно друг друга, передвижение человека в пространстве. |
|||
Основным морфо-функциональным элементом нервно-мышечного |
|||
аппарата является |
двигательная |
единица |
(ДЕ). ДЕ — это |
мотонейрон с иннервируемыми им мышечными волокнами. Аксон |
|||
мотонейрона из спинного мозга проходит в составе периферических |
|||
нервов до мышцы, внутри которой разветвляется на множество |
|||
концевых веточек. Каждая концевая веточка заканчивается на одном |
|||
мышечном волокне, образуя нервно-мышечный синапс. Импульсы, |
|||
идущие по аксону мотонейрона, активируют все иннервируемые им |
|||
мышечные волокна. Поэтому ДЕ функционирует как единое |
|||
морфофунк-циональное образование. |
|
|
|
Скелетная мышца состоит из пучков вытянутых в длину клеток — |
|||
мышечных волокон, обладающих тремя свойствами: возбудимостью, |
|||
проводимостью и сократимостью (см.главу I). Отличительной чертой |
|||
мышечных клеток от клеток, не обладающих свойством |
|||
сократимости, является наличие саркоплазматического ретикулума. |
|||
Он представляет собой замкнутую систему внутриклеточных трубочек |
|||
и цистерн, окружающих каждую миофибриллу. В мембране |
|||
саркоплазматического ретикулума находятся две транспортные системы, |
|||
обеспечивающие освобождение от ретикулума ионов кальция при |
|||
возбуждении и их возврат из миоплазмы обратно в ретикулум при |
|||
расслаблении мышцы. В механизме освобождения ионов кальция из |
|||
ретикулума при возбуждении мышечной клетки важную роль играет |
|||
система поперечных трубочек (Т-система), представляющих собой |
|||
впячивания поверхностной мембраны мышечного волокна. К |
|||
противоположным сторонам поперечной трубочки примыкают |
|||
боковые цистерны ретикулума. Две терминальные цистерны |
|||
ретикулума вместе с |
трубочкой образуют так |
называемую триаду |
|
— анатомическую |
|
|
|
146 |
|
|
|
структуру, в зоне которой нервные импульсы, распространяющиеся по поперечным трубочкам вглубь мышечного волокна, запускают процесс выхода ионов кальция из саркоплазматического ретикулума и, следовательно, всю последующую цепочку изменений, приводящую, в конечном итоге, к развитию сокращения мышцы.
Мышечные волокна имеют диаметр от 10 до 100 мкм и длину от 5 до 400 мм (в зависимости от длины мышцы). В каждом мышечном волокне содержится до 1000 и более сократительных элементов миофибрилл, толщиной 1-3 мкм. Каждая миофибрилла состоит из множества параллельно лежащих толстых и тонких нитей — миофиламен-тов. Толстые нити состоят из молекул белка миозина, а тонкие — из белка актина. Миозиновые нити имеют отходящие от них биполярно поперечные выступы около 20 нм, с головками, состоящими примерно из 150 молекул миозина. Во время сокращения каждая головка миозина, или поперечный мостик, может связывать миозиновую нить с соседней актиновой. Кроме того, в состав тонких нитей входят еще два белка — тропонин и тропомиозин, необходимые для развития процессов сокращения и расслабления мышцы.
Расположение миозиновых и тонких актиновых белковых нитей строго упорядочено (рис.4.1.). Пучок лежаших в середине саркомера нитей миозина выглядит в световом микроскопе как темная полоска. Благодаря свойству двойного лучепреломления в поляризованном свете (то есть анизотропии) она называется А- диском. По обе стороны от А-диска находятся участки, которые содержат только тонкие нити актина и поэтому выглядят светлыми. Эти изотропные J-диски тянутся до Z-пластин. Благодаря такому периодическому чередованию светлых и темных полос миофибриллы скелетной мышцы
Рис.4.1. Схема саркомера мышечного |
||||||
волокна и взаимного |
||||||
расположения толстых |
||||||
миозиновых |
|
и |
|
тонких актиновых |
||
миофиламентов. |
миофибриллы дает |
|||||
Поперечный |
срез |
|||||
представление |
о |
|
гексагональном |
|||
распределении |
актиновых и миозиновых |
|||||
нитей. |
линии, разделяющие два соседних |
|||||
Z — |
||||||
саркомера; |
|
|
|
|
||
J — изотропный диск; |
||||||
А — анизотропный диск; |
||||||
Н — участок |
с |
уменьшенной |
||||
анизотропностью. |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
выглядят исчерченными (поперечно-полосатыми). Если мышца расслаблена, то в средней части А-диска различается менее плотная Н- зона, состоящая только из толстых миофиламентов. Н- зона не просматривается во время сокращения мышцы. По середине J- дис-ка проходит темная полоска — это Z линия. Участок миофибриллы между двумя Z линиями называется саркомером.
Передача возбуждения в нервно-мышечном синапсе. Структура нервномышечного синапса представлена на рисунке 4.2. В процессе передачи возбуждения с нерва на мышечные волокна выделяют три последовательных процесса: 1. электрический, включащий достижение нервным импульсом концевой веточки аксона, деполяризацию и повышение проницаемости ее мембраны, выделение аце-тилхолина (АХ) в синаптическую щель; 2. химический, основу которого составляет диффузия медиатора АХ к постсинаптической мембране и образование на ней его комплекса с холинорецептором; 3. электрический, включащий увеличение ионной проницаемости постсинаптической мембраны, возникновение локального электри-
Рис.4.2. Схема элементов нервномышечного синапса. |
|
1 — миэлиновая оболочка аксона; 2 — концевые веточки аксона; 3 |
|
— пузырьки, содержащие ацетилхолин; 4 |
— митохондрия; 5 — |
пресинаптическая мембрана, покрывающая |
концевую веточку аксона |
в зоне нервно-мышечного синапса; 6 — синаптическая щель; 7 — |
|
постсинаптическая мембрана, покрывающая |
мышечное волокно в |
зоне нервно-мышечного синапса; 8 — ацетилхолинорецепторы на |
|
постсинаптической мембране; 9 — митохондрия мышечного |
|
волокна; 10 — ядро мышечной клетки; 11 |
— миофибрилла. |
148
ческого потенциала (потенциала концевой пластинки; ПКП), |
||||
развитие потенциала действия мышечного волокна. |
|
|||
Запасов АХ в нервном окончании достаточно для проведения лишь |
||||
примерно 10 000 импульсов. При длительной же импульсации |
||||
мотонейрона, несмотря на постоянный синтез АХ (см. главу 3), его |
||||
содержание в концевых веточках может постепенно уменьшаться. В |
||||
результате этого возможны нарушения передачи возбуждения в нервно- |
||||
мышечных синапсах — пресинаптический нервно-мышечный блок. |
||||
Временно возникающий на постсинаптической мембране комплекс |
||||
"АХрецептор" после прохождения каждого импульса разрушается |
||||
ферментом ацетил-холинэстеразой. Однако при длительной |
||||
высокочастотной импульсации мотонейрона (например при длительной |
||||
и напряженной мышечной работе) АХ не успевает разрушаться и |
||||
накапливается |
в |
синаптической |
щели. |
Способность |
постсинаптической мембраны к генерации ПКП при этом снижается и |
||||
развивается частичный или полный постсинаптический нервно- |
||||
мышечный блок, приводящий либо к частичному, либо даже полному |
||||
прекращению |
развития |
потенциалов |
действия на |
мембране |
мышечного волокна. |
|
|
|
|
Механизмы сокращения мышечного волокна. В покоящихся мышечных волокнах при отсутствии импульсации мотонейрона поперечные миозиновые мостики не прикреплены к актиновым миофиламентам. Тропомиозин расположен таким образом, что блокирует участки актина, способные взаимодействовать с поперечными мостиками миозина. Тропонин тормозит миозин — АТФ-азную активность и поэтому АТФ не расщепляется. Мышечные волокна находятся в расслабленном состоянии.
При сокращении мышцы длина А-дисков не меняется, J-диски укорачиваются, а Н-зона А-дисков может исчезать (рис. 4.3.). Эти данные явились основой для создания теории, объясняющей сокращение мышцы механизмом скольжения (теорией скольжения) тонких актиновых миофиламентов вдоль толстых миозиновых. В результате этого миозиновые миофиламенты втягиваются между окружающими их актиновыми. Это приводит к укорочению каждого саркомера, а значит, и всего мышечного волокна.
Молекулярный механизм сокращения мышечного волокна состоит в том, что возникающий в области концевой пластинки потенциал действия распространяется по системе поперечных трубочек вглубь волокна, вызывает деполяризацию мембран цистерн саркоплазматического ретикулума и освобождение из них ионов кальция. Свободные ионы кальция в межфибриллярном пространстве запускают процесс сокращения. Совокупность процессов, обуславливающих распространение потенциала действия вглубь мышечного волокна, выход ионов кальция их саркоплазматического ретикулума, взаимодействие сократительных белков и укорочение мышечного волокна называют "электромеханическим сопряжением".
Временная последовательность между возникновением потенциала действия мышечного волокна, поступлением ионов кальция к миофибриллам и развитием сокращения волокна показана на рисунке
4.4.
149
Рис.4.3. Сокращение мышцы. |
между актином и миозином разомкнуты. |
||
А. Поперечные мостики |
|||
Мышца находится в расслабленном |
состоянии. |
||
Б. Замыкание поперечных мостиков между актином и миозином. |
|||
Совершение головками мостиков |
гребковых движений по |
||
направлению к центру саркомера. |
|
Скольжение актиновых нитей |
|
вдоль миозиновых, укорочение саркомера, развитие тяги.
Рис.4.4. Схема временной последовательности развития потенциала действия (ПД), освобождения ионов кальция (Са2+) и развития изометрического сокращения мышцы.
150
При концентрации ионов Са2+ в межмиофибриллярном пространстве ниже 10" тропомиозин располагается таким образом, что блокирует прикрепление поперечных миозиновых мостиков к нитям актина. Поперечные мостики миозина не взаимодействуют с нитями актина. Продвижение относительно друг друга нитей актина и миозина отсутствует. Поэтому мышечное волокно находится в расслабленном состоянии. При возбуждении волокна Са2+ выходит из цистерн саркоплазматического ретикулума и, следовательно, концентрация его вблизи миофибрилл возрастает. Под влиянием активирующих ионов Са2+ молекула тропонина изменяет свою форму таким образом, что выталкивает тропомиозин в желобок между двумя нитями актина, освобождая тем самым участки для прикрепления миозиновых поперечных мостиков к актину. В результате поперечные мостики прикрепляются к актиновым нитям. Поскольку головки миозина совершают "гребко-вые" движения в сторону центра саркомера происходит "втягивание" актиновых миофиламентов в промежутки между толстыми миозиновы-ми нитями и укорочение мышцы.
Источником энергии для сокращения мышечных волокон служит АТФ. С инактивацией тропонина ионами кальция активируются каталитические центры для расщепления АТФ на головках миозина. Фермент миозиновая АТФ-аза гидролизует АТФ, расположенный на головке миозина, что обеспечивает энергией поперечные мостики. Освобождающиеся при гидролизе АТФ молекула АДФ и неорганический фосфат используются для последующего ресинтеза АТФ. На миозиновом поперечном мостике образуется новая молекула АТФ. При этом происходит разъединение поперечного мостика с нитью актина. Повторное прикрепление и отсоединение мостиков продолжается до тех пор, пока концентрация кальция внутри миофибрилл не снижается до подпороговой величины. Тогда мышечные волокна начинают расслабляться.
При однократном движении поперечных мостиков вдоль актиновых нитей (гребковых движениях) саркомер укорачивается примерно на 1% его длины. Следовательно, для полного изотонического сокращения мышцы необходимо совершить около 50 таких гребковых движений. Только ритмическое прикрепление и отсоединение головок миозина может втянуть нити актина вдоль миозиновых и совершить требуемое укорочение целой мышцы. Напряжение, развиваемое мышечным волокном, зависит от числа одновременно замкнутых поперечных мостиков. Скорость развития напряжения или укорочения волокна определяется частотой замыкания поперечных мостиков, образуемых в единицу времени, то есть скоростью их прикрепления к актиновым миофиламентам. С увеличением скорости укорочения мышцы число одновременно прикрепленных поперечных мостиков в каждый момент времени уменьшается. Этим и можно объяснить уменьшение силы сокращения мышцы с увеличением скорости ее укорочения.
При одиночном сокращении процесс укорочения мышечного волокна заканчивается через 15-50 мс, так как активирующие его ионы кальция возвращаются при помощи кальциевого насоса в
151