«Заболевание саркомера». Патологические изменения функций саркомерных белков (например, в результате генной мутации) могут серьезно нарушить мышечную деятельность. Так, при гипертрофической кардиомиопатии, наследственном заболевании сердца у человека, практически всегда обнаруживаются мутации генов, кодирующих саркомерные белки. Чаще всего это мутации миозинсвязывающего белка С тяжелой цепи миозина. Реже встречаются мутации генов тропонина Т, тропонина I, тропомиозина и легких цепей миозина, а также актина и титина.

6.1. Миодистрофия Дюшенна–Беккера

Этиология и патогенез. Существуют прогрессирующие заболевания скелетных мышц, обусловленные дефектами дистрофина — находящегося на внутренней поверхности сарколеммы белка цитоскелета. Миодистрофия Дюшенна–Беккера характеризуется мутациями (а именно, делециями) в гене дистрофина. Заболевание, как правило, наследуется по рецессивному типу, сцепленному с Х-хромосомой. Миодистрофии Дюшенна–Бек- кера подвержены исключительно лица мужского пола.

Нарушение функции дистрофина обычно приводит к изменениям целостности мембраны мышечных волокон и дегенерации сократительных структур. В итоге мышечная ткань замещается соединительной тканью. При этом развиваются параличи скелетных мышц. С целью точной диагностики осуществляют анализ дистрофина в биоптатах скелетных мышц.

Коротко

Типы мышц

Мышечная ткань состоит из специализированных сократительных клеток, развивающих силу. Различают поперечно-полосатые мышцы (скелетные и сердечная), а также гладкую мускулатуру внутренних органов и кровеносных сосудов.

Строение мышечных клеток

Сократительный аппарат поперечно-полосатых мышечных клеток образован лежащими параллельно друг другу миофибриллами, которые состоят из саркомеров. Вдоль миофибрилл видны чередующиеся темные А-диски и светлые I-диски.

Поперечная исчерченность мышц объясняется регулярной, почти кристаллической организацией саркомеров в виде перекрывающихся филаментов актина и миозина, скрепленных эластичными титиновыми тяжами.

Усилие развивается в результате взаимодействия саркомерных белков; основная доля общей массы белка сердечной и скелетной мышц приходится на молекулярные моторы (миозин и актин), а также титин.

6.2. Молекулярные механизмы сокращения поперечно-полосатых мышц

Модель скользящих нитей

!Мышца сокращается в результате выдвижения пучков тонких и толстых филаментов относительно друг друга (по принципу телескопического — «шарикового» механизма); при удлинении мышечного волокна титиновая нить растягивается.

Сокращение саркомеров. Сокращение мышцы происходит благодаря изменению длины многочисленных саркомеров, которые последовательно друг за другом включены в миофибриллы (рис. 6.1Б). Во время сокращения саркомера тонкие филаменты втягиваются между миозиновыми филаментами по направлению к М-линии (модель скользящих нитей). Важно отметить, что при этом длина самих филаментов, толстых и тонких, не изменяется. Наблюдение за саркомером через микроскоп позволяет утверждать, что при его сокращении длина А-дисков остается постоянной (1,6 мкм), в то время как длина I-дисков и Н-зон уменьшается.

Растяжение саркомеров. Длина актиновых и миозиновых филаментов не изменяется и при растяжении миофибрилл. Чем больше тонкие филаменты выдвигаются из пучка толстых филаментов, тем значительнее уменьшается степень перекрывания филаментов; следовательно, I-диск и Н-зона расширяются (рис. 6.1Б). Сцепление между толстыми и тонкими филаментами обеспечивают прежде всего титиновые тяжи, от которых зависит и эластичность мышцы. Растяжение титинового волокна создает пассивную силу, на долю которой приходится часть пассивного натяжения мышцы.

Молекулярный механизм сокращения

Функциональная роль поперечных мостиков.

В процессе сокращения мышцы каждая миозиновая головка может прикрепляться (наподобие «поперечного мостика») к ближайшему актиновому филаменту. Процесс связывания и освобождения поперечного мостика имеет циклический характер и снабжается энергией, которую обеспечивает расщепление молекулы АТФ, соединенной с миозиновой головкой. По-видимому, в каждом рабочем цикле поперечного мостика распадается одна молекула АТФ. Запуск рабочего цикла поперечного мостика, осуществляемый с участием донора энергии АТФ, схематично представлен на рис. 6.3.

Цикл поперечных мостиков. Считается, что после завершения рабочего цикла поперечного мостика молекула АТФ (в виде комплекса Мg-АТФ) остается прикрепленной к миозиновой головке (рис. 6.3А). После этого миозиновая головка отсоединяется от актина (рис. 6.3Б). АТФ расщепляется до АДФ и фосфата (Фн), однако эти продукты остаются на короткое время связанными с каталитическим центром (рис. 6.3В). Гидролиз АТФ и сдвиг шарнирного соединения кпереди составляют необходимое условие подготовки к новому акту связывания миозиновой головки с актином. Поначалу миозин связывается с актином с низким сродством (рис. 6.3Г), затем сродство комплекса актин—миозин повышается (рис. 6.3Д) и происходит отщепление Фн. Генерируется силовой акт, во время которого шарнирное соединение субфрагмента S-1 поворачивается и прикрепленный актиновый филамент «шагает» на 5–10 нм в направлении М-линии (рис. 6.3Е). При этом генерируется сила до ~4 пН (пиконьютонов). После отделения АДФ система возвращается к исходному состоянию и цикл поперечных мостиков может быть повторен.

Трупное окоченение. Если содержание АТФ в мышечной клетке падает до нуля (после наступления смерти), поперечные мостики не отсоединяются, а остаются прикрепленными; возникает «ригидный комплекс» (рис. 6.3А). Такое прочное, необратимое сцепление филаментов актина и миозина (пока не произойдет автолиз) свойственно трупному окоченению — rigor mortis. Способность АТФ ослаблять либо замедлять развитие жесткости соединения получила название «размягчающее действие АТФ».

Частота циклов и активации АТФазы миозина. Рабочие циклы поперечных мостиков повторяются от ~10 до 100 раз в секунду в соответствии с частотой активации АТФазы миозина (частотой расщепления АТФ в единицу времени) (разд. 6.6). В поперечно-полосатых мышцах присутствуют по крайней мере семь изоформ тяжелых цепей миозина, различающихся прежде всего АТФазной активностью. При более высокой активности возрастает число поперечных мостиков, активирующихся в единицу времени, а также мышечная сила и скорость укорочения мышцы (разд. 6.5). Таким образом, между частотой расщепления АТФ и скоростью укорочения мышцы существует корреляция.

Преобразование деятельности поперечных мостиков в макроскопическое движение.

При однократной активации поперечных мостиков саркомер укорачивается только два раза по 10 нм, т. е. на ~1% своей длины. Саркомер способен очень быстро укорачиваться на 0,4 мкм, т. е. на 20% от своей длины. Это возможно благодаря многократным последовательным гребковым движениям поперечных мостиков, причем каждый раз в новом месте вдоль актинового филамента. В результате актиновые филаменты левой и правой половины саркомера подтягиваются навстречу друг к другу по направлению к М-линии (благодаря биполярному расположению миозиновых молекул; рис. 6.1А).

Реализация этого механизма в тысячах саркомеров приводит к тому, что повторяющаяся активность поперечных мостиков (которая обычно не бывает синхронной) преобразуется в макроскопическое движение. Возникающее усилие распространяется к Z-пластинкам и периферическим частям клетки, а в конечном итоге — к сухожилиям и скелету.

Описанный процесс обратим. При снижении [Са2+] в цитозоле до ~10–7 моль/л рабочий цикл поперечных мостиков снова блокируется. И хотя при участии энергии АТФ поперечные мостики отсоединились от актина, они не могут снова переключиться, т. е. сделать гребковое движение. Мышца находится в расслабленном состоянии.

Коротко

Механизм сокращения

При сокращении мышцы тонкие филаменты втягиваются в промежутки между толстыми филаментами, двигаясь по направлению к середине саркомера, причем длина филаментов не изменяется (модель скользящих нитей). В процессе взаимодействия миозиновых головок с актиновыми филаментами (рабочий цикл поперечных мостиков) генерируется усилие. Если мышцу растянуть, то филаменты снова выдвигаются (по аналогии с тем, как выдвигается труба телескопа!), а молекулы титина растягиваются.

Молекулярные основы

Активное развитие силы саркомеров обеспечивается благодаря молекулярному мотору — белку миозину II, обладающему свойствами АТФазы, а также наличию АТФ в качестве источника энергии. Для отсоединения поперечных мостиков между актином и миозином требуется связь АТФ с миозиновой головкой (такая связь препятствует трупному окоченению).

Взаимодействие актина и миозина регулируется концентрацией Са2+. При низкой концентрации Са2+ (10–7 моль/л) в саркоплазме расслабленной

ȼɧ ɤɥ ɬɨɱɧɨ ɩɪɨɫɬɪ ɧɫɬɜɨ

ȼɧɭɬɪ ɤɥ ɬɤ

мышцы регуляторные белки тропонин и тропомиозин ингибируют рабочий цикл поперечных мостиков. При высокой концентрации (10-6–10–5 моль/л) Са2+ прочно связывается с тропонином С; изменяется конформация комплекса тропонин–тропомио- зин и активируются поперечные мостики.

6.3. Активация сокращения поперечно-полосатой мышцы

Мембранные системы мышечной клетки

!Ионные токи распространяются от сарколеммы вглубь мышечного волокна по мембранам трубкообразных углублений сарколеммы — системе поперечных трубочек (Т-системе), которая контактирует с мембранами саркоплазматического ретикулума (СР) — системы продольных трубочек, депонирующей внутриклеточный Са2+.

Ионные токи. Во время потенциала действия в плазматической мембране мышечной клетки (сарколемме) (рис. 6.5, слева) открываются потенциалзависимые натриевые каналы (Na+-каналы); в миокарде, кроме того, открываются Са2+-каналы (рис. 6.7Г). При реполяризации из клетки выходят ионы K+ (гл. 4). Реполяризация клеток скелетных мышц ассоциируется также с входящими токами ионов хлора (Сl–-токами), которые спо-

собствуют стабилизации мембранного потенциала при невозбужденном состоянии клетки. Потенциал покоя (–80 мВ) поддерживается благодаря работе натрий/калиевого насоса (Na+/K+-АТФазы), зависимого от АТФ. В сердечной мышце действует Na+/Са2+-насос (Na+/Са2+-обменник), который выводит Са2+ из миоцитов во время расслабления миокарда. Отсюда понятно, почему частичное ингибирование Na+/K+-насоса и Na+/Са2+-обмена, например под действием сердечных гликозидов (уабаина, дигоксина, дигитоксина), усиливает сокращения миокарда.

6.2. Миотонические синдромы

Симптомы. При миотонии наблюдается повышенное напряжение скелетных мышц, обеспечивающих произвольные движения; расслабление мышц замедлено. Например, пациенты не могут сразу выпустить из руки сжимаемый предмет, несмотря на все свои старания.

Этиология и патогенез. Миотонические синдромы обусловлены нарушениями функций клеточной мембраны скелетных мышц (например, дефектами ионных каналов); отмечается усиление следовых потенциалов. Существуют различные формы заболевания, возникающие в результате мутаций в тех или иных генах.

•Наиболее распространенная форма заболевания — миотоническая дистрофия. Дефекты сарколеммы ассоциируются с амплификацией (увеличением числа повторов) триплетов ци- тозин–тимин–гуанин (CTG-триплетов) в гене серин/треонинкиназы (локализованном в хромосоме 19q). Заболевание наследуется по ауто- сомно-доминантному типу. Встречается с частотой 5 случаев на 100 000 человек.

•Таким же типом наследования характеризуется миотония врожденная (myotonia congenita). Основа патологии — мутация в гене хлорного канала, которая ведет к уменьшению его проводимости и, следовательно, нарушает реполяризацию мышечной мембраны.

•Более редкая форма миотонии — парамиотония врожденная (paramyotonia congenita). Патология обусловлена мутацией в гене Na+-каналов сарколеммы.

Системы поперечных и продольных трубочек. На рис. 6.5 представлена схема участка волокна скелетной мышцы. Среди миофибрилл наряду с многочисленными митохондриями видны сильно разветвленные системы поперечных и продольных мембранных трубочек. Система поперечных трубочек (Т-система) образована многочисленными углублениями сарколеммы диаметром 50–80 нм, направленными внутрь, поперек мышечного волокна. Система продольных трубочек (L-система, или

саркоплазматический ретикулум — СР) параллельна миофибриллам и не сообщается с внешней

средой. Мембраны терминальных пузырьков (цистерн) СР плотно прилегают к мембранам Т-систе- мы; трубочка Т-систем вместе с мембранами цистерн СР составляют триаду (рис. 6.5).

Накопление кальция в СР. Саркоплазматический ретикулум выполняет важную функцию в качестве накопительной системы Са2+. Если СР не будет забирать эти ионы, обогащенные Са2+, мышечные волокна на длительное время останутся в укороченном состоянии. В мембранах СР содержится Са2+-АТФаза, которая активно транспортирует Са2+ из миоплазмы в L-систему. Таким образом, когда мышца находится в состоянии покоя, внутриклеточная концентрация Са2+ снижена до ~10–7 моль/л.

Электромеханическое сопряжение

!Электромеханическое сопряжение представляет собой последовательность процессов, в результате которых возбуждение плазматической мембраны мышечного волокна приводит к высвобождению Са2+ в саркоплазму и развитию силы.

Возбуждение мышечного волокна. При генерации потенциала действия в постсинаптической мембране (двигательной концевой пластинке) (разд. 5.4) по волокну скелетной мышцы распространяется деполяризация со скоростью 3–5 м/с. В результате в саркоплазме повышается концентрация Са2+, что приводит к активации миофибрилл. После латентного периода (10–15 мс) возникает сократительная реакция скелетной мышцы, которая продолжается дольше, чем потенциал действия (рис. 6.6).

Продолжительность потенциала действия, высвобождения Са2+ и одиночного сокращения (cократительного ответа на одиночный стимул) отличается в мышцах разного типа. Мгновенная

Рис. 6.6. Реакция поперечно-полосатой мышцы человека на электрический стимул. Временной ход потенциала действия, изменений цитоплазматической концентрации Са2+, одиночного изометрического сокращения мышцы, приводящей большой палец (m. adductor pollicis)