biohimiyaverstka

– миозин связывает полимеризованную форму актина – основного белкового компонента тонких миофибрилл. Именно это взаимодействие, как будет показано ниже, играет ключевую роль в мышечном сокращении.

Тонкие филаменты состоят из актина, тропомиозина

итропонина. Основным компонентом тонких филаментов является актин (G-актин). Актин может существовать в трех формах: мономерной (глобулярной), димерной (глобулярной) и полимерной (фибриллярной) (рис. 50). Мономерный глобулярный (G) актин связан с АТФ. Его молекулярная масса около 40000 у. е. Полипептидные цепи уложены в нем очень плотно в компактную сферическую структуру с неполярными группами внутри глобулы

иполярными – снаружи. Заряд молекулы G-актина отрицателен и сравнительно невелик. Мономеры актина, расщепляя АТФ, способны соединяться в димеры, содержащие АДФ:

G + G + АТФ → G – АДФ – G + Н3РO4.

Из димеров построена двойная спираль полимерного фибриллярного актина (рис. 50). Тонкие филаменты мышцы образованы двунитчатыми актиновыми структурами, связанными между собой нековалентными связями. Переход глобулярного актина в фибриллярный происходит в присутствии ионов К+ и Mg2+. В живых мышцах преобладает фибриллярный актин. Актин обладает способностью связывать ионы Са2+.

Тропомиозин представляет собой палочкообразную молекулу, имеющую молекулярную массу около 130 000 у. е. и состоящую из двух разных -спиральных полипептидных цепей, закрученных относительно друг друга. Эта сравнительно жесткая молекула располагается в желобке спиральной цепочки F-актина; ее протяженность соответствует 7 G-актиновым мономерам.

Тропомиозин образует комплекс с белком тропонином (третий компонент тонких филаментов) – глобулярным белком с молекулярной массой около 86 000 у. е. Он пред-

231

ставляет собой сферическую молекулу, состоящую из трех разных субъединиц, получивших название в соответствии с выполняемыми функциями: тропомиозинсвязывающей (Тн-Т), ингибирующей (Тн-I) и кальцийсвязывающей (Тн-С). Каждый компонент тонких филаментов со-

единяется с двумя другими нековалентными связями:

F-актин тропомиозин

Тн - I Тн - Т

Тн - С

Тропонин имеет большой отрицательный заряд. В покоящихся мышцах тропонин соединен с актином и блокирует его активные центры. Эта блокада снимается после поглощения тропонином ионов Са2+.

Вмиофибриллах имеется также небольшое количество- и -актининов.

Вмышце все рассмотренные компоненты собраны вместе в тонком филаменте (рис. 51).

Актин Тропонин

Тропомиозин

Рис. 51. Схема взаимного расположения актина, тропонина и тропомиозина в тонкой филаменте

Актин-тропомиозин-тропонинмиозиновый комплекс характеризуется как Са2+-Mg2+-ATФaзa.

Внутри саркоплазмы находится система продольных и поперечных трубочек, мембран, пузырьков, носящая название саркоплазматической сети или саркоплазматического ретикулума (SR), который делит саркоплазму на отдельные отсеки, где протекают различные биохимичес-

232

кие процессы. Пузырьки и трубочки SR оплетают каждую миофибриллу. Через трубочки, связанные с наружной клеточной мембраной, возможен прямой обмен веществами между клеточными органеллами и межклеточной жидкостью. Трубочки могут служить и для распространения волны возбуждения от наружной мембраны волокна к внутренним его зонам. Толщина мембран саркоплазматического ретикулума около 6 нм. Мембраны пузырьков, прилегающих к миофибриллам, содержат белки, способные связывать ионы Са2+. В непосредственной близости от мембран располагаются рибосомы, в которых происходит синтез белков. Рибосомы можно обнаружить также внутри ядер и митохондрий.

Значение саркоплазматического ретикулума очень велико. Он связан непосредственно с сокращением и расслаблением мышцы, регулируя освобождение катионов кальция в мышечном волокне. Кроме того, к части саркоплазматического ретикулума прикреплены рибосомы, назначением которых является синтез белков. В той части ретикулума, где нет рибосом, синтезируется ряд необходимых мышечному волокну веществ: липидов, гликогена.

Между миофибриллами располагаются митохондрии – «энергетические станции» мышечных волокон. Число митохондрий в мышечном волокне очень велико, и располагаются они цепочками вдоль миофибрилл, тесно прилегая к мембранам ретикулума. Количество митохондрий в тренированных мышцах по сравнению с нетренированными увеличивается.

Как и у всякой клетки (оговоримся, что применение этого термина к мышечному волокну не совсем корректно), у мышечного волокна есть ядра, которые располагаются под сарколеммой. Ядро отделено от саркоплазмы двумя мембранами, одну из которых (внутреннюю) можно назвать ядерной, а вторая (наружная) является оболочкой ядра, переходящей в мембрану ретикулума. Пространство между этими двумя мембранами сообщается с канальцами саркоплазматического ретикулума. Внутри

233

ядра находятся ядрышко и хроматин. В состав хроматина входят ДНК, белки и низкомолекулярные РНК. В ДНК закодирована информация о структуре всех белков, синтезируемых в мышечном волокне.

В мышечном волокне есть и лизосомы, в которых локализованы гидролитические ферменты, расщепляющие белки, липиды и полисахариды. При очень интенсивной мышечной работе происходит нарушение мембран лизосом (либо увеличение их проницаемости) и в саркоплазму выходят ферменты, расщепляющие локализованные в ней биополимеры.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите виды мышечных тканей. В чем заключаются их отличия?

2.Что является структурной единицей мышцы?

3.Охарактеризуйте каждый из уровней структурной организации мышцы.

4.Какие белки образуют тонкие филаменты? В чем выражаются различия тонких и толстых филаментов по составу?

5.Представьте схематически строение мышечного волокна.

Основные понятия

Поперечнополосатая, сердечная и гладкая мышечная ткань, мышечное волокно, симпласт, сарколемма, миофибриллы, саркоплазматический ретикулум, саркомер, толстые и тонкие филаменты, миозин, актин, тропомиозин и тропонин.

3.2. Механизм мышечного сокращения

В основе мышечного сокращения лежат два процесса:

•спиральное скручивание сократительных белков;

•циклически повторяющееся образование и диссоци-

234

ация комплекса между цепью миозина и актином. Мышечное сокращение инициируется приходом по-

тенциала действия на концевую пластинку двигательного нерва, где выделяется нейрогормон ацетилхолин, функцией которого является передача импульсов. Сначала ацетилхолин взаимодействует с ацетилхолиновыми рецепторами, что приводит к распространению потенциала действия вдоль сарколеммы. Все это вызывает увеличение проницаемости сарколеммы для катионов Na+, которые устремляются внутрь мышечного волокна, нейтрализуя отрицательный заряд на внутренней поверхности сарколеммы. С сарколеммой связаны поперечные трубочки саркоплазматического ретикулума, по которым распространяется волна возбуждения. От трубочек волна возбуждения передается мембранам пузырьков и цистерн, которые оплетают миофибриллы на участках, где происходит взаимодействие актиновых и миозиновых нитей. При передаче сигнала на цистерны саркоплазматического ретикулума, последние начинают освобождать находящийся в них Са2+:

SR – Са2+ → SR + Са2+.

Высвобожденный Са2+ связывается с тропонином (Тн-С), что вызывает конформационные сдвиги, передающиеся на тропомиозин и далее на актин. Актин как бы освобождается из комплекса с компонентами тонких филаментов, в котором он находился.

Далее актин взаимодействует с миозином, и результатом такого взаимодействия является образование спайки, что делает возможным движение тонких нитей вдоль толстых. Прекращение электростатического отталкивания тонких и

235

толстых протофибрилл делает при участии Са2+ возможным возникновение спайки между актином и миозином.

Процесс взаимодействия между филаментами можно условно разделить на несколько последовательных стадий: 1) переход из пассивного состояния в активное; 2) прикрепление миозиновой головки к актину; 3) вращение головки. В расслабленной мышце «головки» миозина, образующие боковые отростки толстых протофибрилл, расположены перпендикулярно по отношению к продольной оси толстой протофибрилл. В ходе сокращения «головка» переходит в угловое положение. При этом замыкается спайка между актином и миозином. Затем изменяется структура «головки» миозиновой молекулы, вследствие чего в спайке развивается напряжение, она укорачивается и продвигает актиновую нить вдоль миозиновой по направлению к центру саркомера на расстояние, равное длине G-актиновой единицы (рис. 52).

Вращение миозиновых головок является следствием неодинакового актин-миозинового сродства в центре связывания. Актин-миозиновое сродство последовательно возрастает от М1 до М4. Следовательно после связывания с актиновым центром М1 миозиновая головка проворачива-

236

ется до прикрепления к актину центра М2 и т. д. (рис 53). Подобные изменения в положении миозиновой головки приводят к тому, что она тянет за собой мостиковый шарнир. Усилие через мостиковый шарнир передается миозиновомуфиламенту, в результате чего актиновые филаменты втягиваются а промежутки между миозиновыми. В этот момент и фиксируется укорочение саркомера. Когда миозиновая головка заканчивает свое вращение, происходит связывание Mg2+-АТФ с активным центром АТФазы в головке миозина. Это приводит к удалению миозиновой головки от актина и возвращает ее в расслабленное состояние. Гидролиз АТФ в АТФазном центре миозиновой головки сопровождается комформационными изменениями последней, переводящими ее в высокоэнергетическое состояние. Миозиновая головка вновь присоединяется к актину (несколько дальше первоначального места прикрепления), и весь цикл повторяется.

Актиновый филамент

Миозиновый филамент

Рис. 53. Схема взаимодействия актиновых и миозиновых филаментов посредством поперечного мостика. Центры связывания, от М1 до М4, последовательно взаимодействуют с центрами актинового филамента. В результате вращения головки возникает тянущее усилие, увлекающее актиновый филамент влево, заставляющее его скользить вдоль миозинового филамента (Huxley, Simone, 1971)

237

Таким образом, укорочение саркомера является результатом последовательного присоединения, вращения и отсоединения огромного числа миозиновых головок, содержащихся в каждом саркомере. В момент сокращения образуется около 300 спаек в минуту в каждом центре (рис. 54).

Расположение филаментов мышечного волокна в состоянии покоя

Расположение филаментов при умеренном сокращении мышечного волокна

Расположение филаментов при максимальном сокращении мышечного волокна

Рис. 54. Механизм мышечного сокращения

238

Укорочение спайки и продвижение актиновой нити вдоль миозиновой – процесс, требующий затраты энергии. Энергию для этого процесса поставляет гидролиз АТФ. Такое преобразование энергии происходит при гидролитическом расщеплении АТФ, ускоряемом ферментативным центром миозина. Когда АТФ присоединяется к головке молекулы миозина, где локализован активный центр миозиновой АТФазы, связи между тонкой и толстой нитями не образуется. Появившийся катион кальция нейтрализует отрицательный заряд АТФ, способствуя сближению с активным центром миозиновой АТФазы. В результате происходит фосфорилирование миозина, т. е. миозин заряжается энергией, которая используется для образования спайки с актином и для продвижения тонкой нити. После того как тонкая нить продвинется на один «шаг», АДФ и фосфорная кислота отщепляются от актомиозинового комплекса. Затем к миозиновой головке присоединяется новая молекула АТФ, и весь процесс повторяется со следующей головкой молекулы миозина.

Затрата АТФ необходима и для расслабления мышц. После прекращения действия двигательного импульса Са2+ переходит в цистерны саркоплазматического ретикулума. Тн-С теряет связанный с ним кальций, следствием этого являются конформационные сдвиги в комплексе тропонин-тропомиозин, и Тн-I снова закрывает активные центры актина, делая их неспособными взаимодействовать с миозином. Концентрация Са2+ в области сократительных белков становится ниже пороговой, и мышечные волокна теряют способность образовывать актомиозин.

В этих условиях эластические силы стромы, деформированной в момент сокращения, берут верх, и мышца расслабляется. При этом тонкие нити извлекаются из пространства между толстыми нитями диска А, зона Н и диск I приобретают первоначальную длину, линии Z отдаляются друг от друга на прежнее расстояние. Мышца становится тоньше и длиннее.

Скорость гидролиза АТФ при мышечной работе ог-

239

ромна: до 10 мк моль на 1 г мышцы за 1 мин. Общие запасы АТФ невелики, поэтому для обеспечения нормальной работы мышц АТФ должна восстанавливаться с той же скоростью, с какой она расходуется.

Скелетная мышца, работающая с максимальной интенсивностью, потребляет в сотни раз больше энергии, чем покоящаяся, причем переход от состояния покоя к состоянию максимальной работы происходит за доли секунды. В связи с этим у мышц совсем по-другому построен механизм изменения скорости синтеза АТФ в очень широких пределах.

Максимальное укорочение достигается тогда, когда Z- пластинки, к которым прикреплены актиновые нити, приближаются к концам миозиновых нитей. При сокращении саркомер укорачивается на 25–50 %. Мышца укорачивает свою длину, т. е. сокращается в результате укорочения множества саркомеров, соединенных в миофибрилле последовательно.

Вопросы для самоконтроля

1.В чем состоит суть мышечного сокращения? Что является источником энергии для такой работы?

2.Какую роль выполняют ионы кальция во время сокращения мышц? Какую функцию выполняет ацетилхолин в обеспечении сокращения мышц?

3.Объясните схему взаимодействия актиновых и миозиновых филаментов.

4.Охарактеризуйте роль АТФазы в обеспечении мышечного сокращения.

Основные понятия

Мышечное сокращение, нейромедиатор, спайки, ак- тин-миозиновое сродство, АТФаза.

240