3. Роль ионов кальция в реализации механизма мышечного сокращения. Актиновая и миозиновая регуляция процессов сокращения в поперечно-полосатых и гладких мышцах. Регуляция мышечного сокращения.

Во всех случаях ключевая регуляторная роль принадлежит ионам Ca²⁺. При деполяризации мембраны Ca²⁺ проникает в саркоплазму и запускает ряд процессов. Существует два главных механизма регуляции: актиновый и миозиновый.

Актиновая регуляция.

Актиновая регуляция характерна для поперечно-полосатых мышц: скелетной и миокарда. Основным действующим механизмом регуляции сокращения является аллостерический механизм, представленный в мышце актином, тропомиозином, ТnС, ТnТ, ТnI и ионами кальция. Кальций, при уровне 10^-5 моль/л, вызывает перемещение нити тропомиозина относительно актина путём увеличения его спирализации, что позволяет головке миозина, соединиться с актином. Таким образом, тропомиозин обладает способностью блокировать взаимодействие актина и миозина. ТnI предотвращает присоединение миозиновой головки к связывающему сайту актина, изменяя его конформацию через тропомиозиновую систему.

Транспорт Ca²⁺

В регуляции уровня Ca²⁺ в саркоплазме принимает участие так же фермент Mg²⁺, Ca²⁺-АТФ-аза и система Nа⁺/Са²⁺-обмена, которые поддерживают необходимую концентрацию Ca²⁺, выкачивая его из клетки. При низкой концентрации ионов Ca²⁺ силовой цикл актин-миозин не включается, т.е. интенсивность сокращения определяется концентрацией Ca²⁺.

В саркоплазме покоящейся мышцы концентрация ионов Са²⁺ равна 10^-7 – 10^-8 моль/л. Сокращение происходит при её увеличении до 10^-5 моль/л. Каждая миофибрилла мышечной клетки окружена мембранным мешочком саркоплазматического ретикулума (саркотубулярная система), который содержит Ca²⁺, Mg²⁺, АТФ-азу, обеспечивающую перекачку кальция из саркоплазмы в ретикулум против градиента концентрации (процесс усиливается при фосфорилировании АТФ-азы под действием цАМФ-протеинкиназой). Этот механизм поддерживает низкую концентрацию кальция в миофибрилле, предотвращая сокращение мышцы. С помощью белка – кальсеквестрина – (внутри Т-цистерны) кальций активным транспортом (кальциевая помпа) попадает в саркоплазматический ретикулум. Наряду с этим, в саркоплазматическом ретикулуме есть белок SR-Foot, функционирующий в качестве канала для пассивного транспорта ионов Ca²⁺. Обычно он закрыт, но при поступлении к клетку нервного импульса, он открывается и впускает ионы кальция из просвета саркоплазматического ретикулума в саркоплазму, вызывая сокращение.

Таким образом, саркоплазматический ретикулум, связывая и поглощая Ca²⁺, играет важную роль в мышечном сокращении.

В процессе возбуждения возникает трансмембранный ток ионов, входящих в клетку. Быстрый вход Nа⁺ (быстрый Nа-канал), вызывает формирование потенциала действия и последующий медленный вход Ca²⁺ (Са-насос) – это процесс деполяризации сарколеммы. При гидролизе 1 моль АТФ в цистернах накапливается два иона Ca²⁺. Кальциевый насос повышает концентрацию ионов в цистерне до 10^-3 моль/л, тогда как в саркоплазме, она становится 10^-7 моль/л.

Саркомер окружен возбудимой мембраной с поперечными каналами, подходящими к саркоплазматическому ретикулуму. При возбуждении мембраны саркомера кальций быстро высвобождается из ретикулума в саркоплазму, его концентрация возрастает до 10^-5 моль/л. При этом Tропонин-С насыщается кальцием, образуя комплекс ТnС×4 Ca²⁺, который реагирует с ТnI и ТnТ, влияя на тропомиозин. При этом изменяется конформация актина так, что миозиновая головка с продуктами гидролиза АТФ (АДФ + Н₃РО₄) соединяется с F-актином, и происходит сократительный цикл.

В сердечной мышце основным источником ионов Ca²⁺ для возбуждения служит внеклеточная жидкость. При отсутствии кальций во внеклеточной жидкости сокращение миокарда прекращается в течение 1 минуты, а скелетная мышца может сокращаться в такой ситуации часами.