Funktsional'naia_biokhimiia

131

ТЕМА № 6 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ МЫШЦ

План:

1.Биохимические функции мышц и их значение. Важнейшие сократительные и регуляторные белки мышечной ткани.

2.Механизм мышечного сокращения и расслабления, его регуляция.

3.Биоэнергетика мышечной деятельности. Механизмы ресинтеза АТФ

вмышечной ткани.

4.Особенности биохимии красных, промежуточных и белых мышечных волокон.

5.Саркоплазматические белки: миоглобин, строение и функции.

6.Небелковые азотистые вещества мышц. Углеводный и липидный метаболизм мышц: функциональные особенности и регуляция.

7.Биохимия сердечной мышцы и гладкой мускулатуры.

1. Биохимические функции мышц и их значение. Важнейшие сократительные и регуляторные белки мышечной ткани.

Скелетные поперечнополосатые мышцы позвоночных состоят из параллельных пучков мышечных волокон. Каждое волокно представляет собой одну большую многоядерную клетку. Большую часть объема мышечных клеток занимают миофибриллы толщиной 1-2 мкм, простирающиеся на всю длину мышечного волокна. Поперечная исчерченность, характерная для миофибрилл скелетных мышц, связана с чередованием различных по толщине молекул.

Биохимические функции мышц:

–осуществление мышечного сокращения и расслабления, регуляция этих процессов;

–энергетическое обеспечение мышечной деятельности;

–метаболизм, обеспечивающий осуществление биохимических функций мышц.

Функционирование мышц – механическое движение, в котором химическая энергия превращается в механическую при постоянном давлении

ипостоянной температуре. Ни один искусственный механизм к этому не способен.

Основные виды мышечной ткани:

• Поперечнополосатая

• Сердечная

• Гладкая Для каждого вида характерны свои мышечные волокна, состоящие из

миосимпластов и миосателлитоцитов.

Миоциты, или мышечные клетки – особый тип клеток, составляющий основную часть мышечной ткани. Миоциты представляю собой длинные,

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

132

вытянутые клетки, развивающиеся из клеток-предшественников – миобластов. Существует несколько типов миоцитов: миоциты сердечной мышцы (кардиомиоциты), скелетной и гладкой мускулатуры, миоциты радужки. Каждый из этих типов обладает особыми свойствами. Так, кардиомиоциты, помимо прочего, генерируют электрические импульсы, задающие сердечный ритм.

На рисунке 6.1 представлена организация мышц позвоночных.

Рисунок 6.1. – Организация скелетных мышц позвоночных

Миосимпласт (характерен для скелетных мышц) состоит из 3 компонентов: ядра (точнее множества ядер), цитоплазмы (саркоплазма) и плазмолеммы (которая покрыта базальной мембраной и называется сарколемма). Почти весь объем цитоплазмы заполнен миофибриллами – органеллами специального назначения; органеллы общего назначения — эндоплазматическая сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, а также ядра смещены на периферию волокна.

Мышечное волокно состоит из клеток, окруженных электровозбудимой мембраной – сарколеммой, которая, как и любая другая мембрана, имеет липопротеиновую природу (толщина бимолекулярного слоя около 10 нм). Сарколемма отгораживает внутреннее содержимое мышечного волокна от

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

133

межклеточной жидкости. Подобно другим мембранам, сарколемма имеет избирательную проницаемость для различных веществ. Через нее не проходят высокомолекулярные вещества (белки, полисахариды и др.), но проходят глюкоза, молочная и пировиноградная кислоты, кетоновые тела, аминокислоты и короткие пептиды. Перенос через сарколемму имеет активный характер (осуществляется с помощью посредников), что позволяет накапливать внутри клетки некоторые вещества, в том числе ионы, в большей концентрации, чем снаружи. Это приводит к возникновению мембранного потенциала, который в состоянии покоя мышечного волокна равен 90-100 мВ и является необходимым условием возникновения и проведения возбуждения.

В саркоплазме локализованы органические вещества, минеральные соли, а также субклеточные частицы: ядра, митохондрии, рибосомы, лизосомы, функция которых заключается в регуляции обмена веществ в мышечном волокне путем воздействия на синтез специфических мышечных белков. Число митохондрий в мышечном волокне очень велико, и располагаются они цепочками вдоль миофибрилл, тесно прилегая к мембранам ретикулума. Внутри саркоплазмы находится система продольных и поперечных трубочек, мембран, пузырьков – саркоплазматический ретиклум. Толщина мембран саркоплазматического ретикулума около 6 нм. Саркоплазматический ретикулум делит саркоплазму на отдельные отсеки, в которых протекают различные биохимические процессы. Пузырьки и трубочки оплетают каждую миофибриллу. Через трубочки, связанные с наружной клеточной мембраной, возможен прямой обмен веществами между клеточными органеллами и межклеточной жидкостью. Трубочки, в частности Т-трубочки, могут служить и для распространения волны возбуждения от наружной мембраны волокна к внутренним его зонам, к везикулам и цистернам саркоплазматического ретикулума. Мембраны пузырьков, прилегающих к миофибриллам, содержат белки (в частности, кальсеквестрин), связывающие катионы Са2+.

Химический состав мышечной ткани:

•Вода 75-77%;

•Белки 20%;

•Липиды 1-3%;

•Углеводы 0,5-3,0%;

•Экстрактивные вещества 1,5-2,0%;

•Минеральные соли 1%.

Саркомер – структурно-функциональная единица поперечно$ полосатой мышечной ткани, базовая сократительная единица поперечнополосатых мышц, представляющая собой комплекс нескольких белков, состоящий из трех разных систем волокон. Из саркомеров состоят миофибриллы (рис. 6.1).

Миофибрилла – нитевидная структура, состоящая из саркомеров. Каждый саркомер имеет длину около 2 мкм и содержит два типа белковых

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

134

филаментов: тонкие миофиламенты состоят из актина, толстые филаменты – из миозина (рис. 6.1). Границы между филаментами (Z-диски) состоят из особых белков, к которым крепятся концы актиновых филаментов. Миозиновые филаменты (толстые нити) также крепятся к границам саркомера с помощью нитей из белка титина (тайтина). С актиновыми филаментами (тонкие нити) связаны вспомогательные белки – небулин и белки тропонин-тропомиозинового комплекса.

Толстая нить состоит из молекул белка миозина. Миозин – крупный олигомерный белок молекулярной массой 500 кДа, состоит из 6 субъединиц, попарно одинаковых. При гидролизе трипсином миозин распадается на легкий меромиозин (ЛММ) и тяжелый меромиозин (ТММ). Тяжелая цепь: на С-конце – альфа-спираль, на N-конце – глобула (головка). При соединении двух тяжелых цепей С-концевыми участками образуется (рис. 6.1) суперспираль. Две легкие цепи входят в состав глобулы (головки). Стержневой участок суперспирали имеет два отдела, где спирали оголены – эти места открыты для действия протеолитических ферментов и имеют повышенную подвижность.

Свойства миозина:

1)в физиологических условиях (оптимальные pH, температура, концентрации солей) молекулы миозина спонтанно взаимодействуют между собой своими стержневыми участками (“конец-в-конец”, “бок-в-бок”) с помощью слабых типов связей. Взаимодействуют только стержни, головки остаются свободными;

2)молекула миозина обладает ферментативной активностью

(АТФазная активность: АТФ + Н2О → АДФ + Ф). Активные центры расположены на головках миозина.

В состав тонких нитей входят три белка:

• сократительный белок актин,

• регуляторный белок тропомиозин,

• регуляторный белок тропонин.

Актин – небольшой глобулярный белок, его молекулярная масса 42 кДа. G-актин представляет собой глобулу. В физиологических условиях его молекулы способны к спонтанной агрегации с образованием F-актина. В состав тонкой нити входят две F-актиновые нити, образуется суперспираль (две перекрученные нити) (рис. 6.2). В области Z-линий актин прикрепляется

кα-актинину.

Молекула G-актина несет прочно связанную молекулу АТФ, которая при переходе в F-актин, медленно гидролизуется до АДФ, т.е. F-актин проявляет свойства АТФ-азы. При полимеризации G-актина в F-актин ориентация всех мономеров одинакова, поэтому F-актин обладает полярностью. Волокна F-актина имеют два разноименно заряженных конца –

(+) и (-), которые полимеризуются с различной скоростью. Эти концы не стабилизированы специальными белками (как, например, в мышечных клетках), и при критической концентрации G-актина (+)-конец будет

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

135

удлиняться, а (–)-конец укорачиваться. В условиях эксперимента этот процесс может быть ингибирован токсинами грибов. Например, фаллоидин (яд бледной поганки) связывается с (–)-концом и ингибирует деполимеризацию, в то время как цитохалазин (токсин из плесневых грибов, обладающий свойством цитостатика) присоединяется к (+)-концу, блокируя полимеризацию.

Рисунок 6.2. – Полимеризация G-актина и диссоциация F-актина

В цитоплазме клеток имеются более 50 различных типов белков, которые специфически взаимодействуют с G-актином и F-актином. Эти белки выполняют различные функции: регулируют объем G-актинового пула (профилин), оказывают влияние на скорость полимеризации G-актина (виллин), стабилизируют концы нитей F-актина (фрагин, β-актинин), сшивают филаменты друг с другом или с другими компонентами (как, например, виллин, α-актинин) или разрушают двойную спираль F-актина (гельзолин). Активность этих белков регулируется ионами Са2+ и протеинкиназами.

Тропомиозин – фибриллярный белок молекулярной массой 70 кДа. Имеет вид α-спирали. В тонкой нити на 1 молекулу тропомиозина приходится 7 молекул G-актина. Располагается тропомиозин в желобке между двумя спиралями G-актина. Соединяется тропомиозин “конец-в- конец”, цепочка непрерывная. Молекула тропомиозина закрывает активные центры связывания актина на поверхности глобул актина.

Тропонин – глобулярный белок молекулярной массой 80 кДа, имеет 3 субъединицы: тропонин Т, тропонин С и тропонин I. Располагается на тропомиозине с равными промежутками, длина которых равна длине молекулы тропомиозина. Таким образом формируется тонкая нить – тонкий филамент (рис. 6.1). Тропонин Т (ТнТ) – отвечает за связывание тропонина с

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

136

тропомиозином, через ТнТ конформационные изменения тропонина передаются на тропомиозин. Тропонин С (ТнС) – Ca2+-связывающая субъединица, содержит 4 участка для связывания кальция, по строению похожа на белок кальмодулин. Тропонин I (ТнI) – ингибиторная субъединица

– это ненастоящий ингибитор, он только создает пространственное препятствие, мешающее взаимодействию актина и миозина в момент, когда ТнС не связан с Са2+.

2. Механизм мышечного сокращения и расслабления, его регуляция.

Сокращение мышечных волокон обусловлено продольным скольжением толстых миозиновых и тонких актиновых филаментов относительно друг друга. Электромеханическое сопряжение – процесс преобразования нервного импульса в мышечное сокращение, следующее за увеличением концентрации Са2+.

Толстые нити миозина скользят по тонким нитям актина за счет перемещения головок миозина. Если с миозином не связана молекула АТФ, то головка миозина связывается с глобулой фибриллярного актина.

Сокращение мышечных волокон является результатом следующего цикла реакций:

1.В отсутствие АТФ, т. е. в исходном состоянии, головки молекул миозина прочно связаны с актиновыми нитями. При связывании АТФ головки отделяются от актиновых нитей.

2.АТФ-аза головок миозина гидролизует АТФ на АДФ и неорганический фосфат, но продолжает удерживать оба продукта реакции близко друг от друга. Гидролиз АТФ вызывает аллостерические изменения в миозиновой головке.

3.Теперь головка миозина образует новый мостик с соседней молекулой актина.

4.Актин ускоряет выброс продуктов АТФ-азной реакции из активного центра миозина. Это приводит к преобразованию аллостерического напряжения и изменению конформации головки миозина, которое действует подобно «удару весла» (модель весельной лодки). Во время этого «гребка» миозиновые головки отклоняются на определенный угол от оси и перемещают миозиновый филамент вдоль актинового филамента по направлению к Z-диску. Цикл повторяется до тех пор, пока имеется АТФ.

Цикл сокращения-расслабления показан на рис. 6.3.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

137

Рисунок 6.3. – Механизм сокращения мышечных волокон

В результате каждого такого цикла совершается работа, эквивалентная 3-4 пН (пиконьютон), и толстая нить миозина смещается относительно тонкой нити на 5-10 нм. Актомиозиновый комплекс существует до тех пор, пока не происходит связывание АТФ. Присоединение АТФ к миозину – это экзергоническая реакция, результатом которой является отход головки миозина от актина (I стадия). То есть АТФ необходим для мышечного расслабления.

На рис. 6.4 схематично показан процесс оборота АТФ в сокращениирасслаблении мышечного волокна.

Рисунок 6.4. – Оборот АТФ при мышечном сокращении

Регуляция сокращения мышечных волокон. Сокращение мышечных волокон регулируется с помощью электрохимического сопряжения,

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

138

регуляцией потоков кальция через саркоплазматический ретикулум и связывания кальция с белками мышечных волокон. Рассмотрим эти механизмы подробнее.

Сокращением мышечного волокна управляют двигательные нейроны, которые выделяют нейромедиатор ацетилхолин в нервно-мышечные соединении (синапсы). Ацетилхолин диффундирует через синаптическую щель и взаимодействуют с ацетилхолиновыми (холинэргическими) рецепторами плазматической мембраны мышечных клеток. Это вызывает открывание трансмембранных ионных каналов и деполяризацию клеточной мембраны (образование потенциала действия). Потенциал действия быстро распространяется по всем направлениям от нервно-мышечного соединения, возбуждая все мышечные клетки. В течение нескольких миллисекунд реализуется рассмотренный выше цикл сокращения мышечного волокна.

Саркоплазматический ретикулум (СР) – разветвленная подобная эндоплазматическому ретикулуму органелла, окружающая индивидуальные миофибриллы подобно сетке (в верхней части схемы в качестве примера приведен СР клетки сердечной мышцы). В покоящихся клетках концентрация Са2+ очень низка (менее 10-5 М). Однако в саркоплазматическом ретикулуме уровень ионов Са2+ существенно выше (около 10-3 М). Высокая концентрация Са2+ в СР поддерживается Са2+-АТФ- азами. Кроме того, в СР имеется специальный белок кальсеквестрин (55 кДа), который благодаря высокому содержанию кислых аминокислот способен прочно связывать ионы Са2+. Переносу потенциала действия на СР индивидуальной миофибриллы способствуют поперечные трубочки Т- системы, представляющие трубчатые впячивания клеточной мембраны и находящиеся в тесном контакте с индивидуальными миофибриллами. Деполяризация плазматической мембраны передается через Т-трубочки на потенциал-управляемый мембранный белок (так называемый «SR-foot») прилегающей мембраны СР, который открывает Са2+-каналы. Результатом является выброс ионов Са2+ из СР в пространство между филаментами актина и миозина до уровня ≥ 10-5 M. В конечном итоге выброс ионов Са2+ является пусковым механизмом процесса сокращения миофибрилл.

Врасслабленной скелетной мышце комплекс тропонина (субъединицы

=Т, С, I) с тропомиозином препятствует взаимодействию миозиновых

головок с актином. Быстрое увеличение в цитоплазме концентрации ионов кальция в результате открывания каналов СР приводит к связыванию Са2+ с

С-субъединицей тропонина. Последняя по свойствам близка кальмодулину. Связывание ионов Са2+ вызывает конформационную перестройку в тропонине, тропонин-тропомиозиновый комплекс разрушается и освобождает на молекуле актина участок связывания с миозином. Это инициирует цикл мышечного сокращения.

Вотсутствие последующего стимулирования АТФ-зависимые кальциевые насосы мембраны СР быстро снижают концентрацию ионов Ca2+ до исходного уровня. Как следствие, комплекс Са2+ с тропонином С

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

139

диссоциирует, тропонин восстанавливает исходную конформацию, место связывания миозина на актине блокируется и мышца расслабляется.

Таким образом, при сокращении мышечного волокна скелетных мышц позвоночных происходит следующая последовательность событий. При поступлении сигнала от двигательного нейрона мембрана мышечной клетки деполяризуется, сигнал передается на Сa2+-каналы СР. Са2+-каналы открываются, внутриклеточный уровень ионов Са2+ возрастает. Ионы Сa2+ связывается с тропонином С, вызывая конформационную перестройку в тропонине, что влечет за собой разрушение комплекса тропонинтропомиозин и дает возможность головкам миозина связываться с актином. Происходит инициация актин-миозинового цикла.

По завершении сокращения уровень ионов Са2+ снижается за счет активного обратного транспорта Са2+ в СР, тропонин С отдает Са2+, комплекс тропонин-тропомиозин занимает исходное положение на молекуле актина, блокируя актин-миозиновый цикл. Результатом является расслабление мышцы.

Все описанные процессы суммированы на рисунке 6.5.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

140

Рисунок 6.5. – Регуляция мышечного сокращения

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ