Новая папка (3) / Біохімія м’язів і м’язового скорочення

Лекція №

Тема: Біохімія м’язів і м’язового скорочення

План

1. Типи м’язів і м’язових волокон.

2. Хімічний склад м’язової тканини.

3. Структурна організація м’язових волокон.

4. Молекулярні механізми скорочення м’язового волокна.

Будь-який рух людини відбувається врезультаті скорочення органів руху і сили – м’язів. За своїми властивостями м’язи характеризуються великою еластичністю, пластичністю та скоротливістю. Це єдина унікальна природна система, наділена здатністю перетворювати безпосередньо хімічну енергію в механічну з високим коефіцієнтом корисної дії.

В організмі людини на м’язи приходиться 40-45 % маси тіла. Існує три види м’язів: скелетні, серцевий м’яз, гладенькі. Відрізняються вони морфологічними, біохімічними і функціональними особливостями, а також шляхами розвитку. Перші під мікроскопом мають вигляд довгих волокон, в яких регулярно чергуються світлі й темні смуги. Другі складаються з коротких волокон, що не містять смуг. Функціонально серцевий м’яз відрізняється від скелетних м’язів і займає проміжне положення між гладкими і скелетними м’язами (рис. 22.1, Гонський).

Серцевий м’яз скорочується ритмічно, незалежно від волі людини, тобто довільно. Скорочення гладких м’язів ініціюється нервовими імпульсами, деякими гормонами і незалежить від волі людини, так як їх тонус не контролюється нашою свідомістю. Гладкі м’язи розміщуються у стінках кровоносних судин, дихальних шляхів, кишківника і сечового міхура, забезпечуючи їх скорочення і розслаблення.

Скелетні м’язи прикріплені в основному до кісток, що і зумовило їх назву. Скорочення скелетних м’язів ініціюється нервовими імпульсами і підпорядковується свідомому контролю.

Структурною одиницею м’язової тканини є м’язове волокно (міоцит), яке утворилося в результаті злиття багатьох міофібрильних клітин – міобластів. Довжина окремих мзових клітин може сягати 10 см ( і навіть 50 см), а діаметр дорівнює 0,1 мм. Кожний структурний компонент волокна виконує свою певну функцію.

У скелетних м’язах розрізняють декілька типів м’язових волокон, які відрізняються скорчувальними і метабалічними властивостями. До основних типів волокон належать ті, що повільно скорочуються (ПС) або червоні і ті, що швидко скорочуються (ШС), або білі.

Ці типи волокон мають різну швидкість збудження, скорочення і втомлюваності. Так, швидкість скорочення повільних волокон становить більше 100 м/с, а швидких – 50 м/с. Окремі типи волокон відрізняються також механізмами енергоутворення. Повільні волокна мають значну кількість мітохондрій, ферментів біологічного окислення вуглеводів і жирів, білка міоглобіну, а також розширеною сіткою капілярів, що забезпечують достатнє поступлення кисню в м’язи, і великими запасами глікогену. Все це свідчить про те, що у повільних волокнах переважають аеробні механізми енергоутворення, які забезпечують виконання тривалої роботи на витривалість.

Швидкі м’язові волокна характеризуються великою кількістю міофібрил, високю АТФазною активністю міозину і ферментів гліколізу, наявністю значних запасів глікогену. Вони мають слаборозвинуту капілярну сітку і невелику кількість міоглобіну. У зв’язкуз цим ресинтез АТФ в таких типах волокон здійснюється за рахунок анаеробних механізмів енергоутворення – креатинфосфокіназної реакції і гліколізу. Швидкі волокна пристосовані до швидкісної інтенсивної роботи з невеликою тривалістю.

Серед швидких волокон розрізняють два підтипи: Шса або тип Ііа і ШСб або тип Ііб. Вони відрізняються в основному механізмами енергозабезпечення.

При виконанні роботи людиною застосовуються не всі волокна: у нетренованих людей – не більше 55-65 %, у високотренованих спортсменів силових видів спорту – 80-90 % рухових одиниць. Кількість повільно скорочувальних і швидко скорочувальних волокон в м’язах людини у середньому складає 55 і 45 % відповідно.

Існує тісна коре…… між вмістом ШС-волокон і швидкісними здатностями м’язів. К-сть окремих типів м’язових волокон генетично закріплена, тому погано піддається змінам при тренуванні. Але при специфічному тренуванні їх об’єм значно зростає. Експериментальні дані останніх років свідчать про можливість зміни кількості типів волокон при тривалих тренуваннях і перетворення Шса в ШСб або ПС.

Хімічний склад скелетних м’язів

М’язова тканина тварин і людини містить від 73 до 78 % води. Приблизно 22-27 % від маси м’яза припадає на частину сухого залишку, переважно білків. Крім білків, у м’язах знаходяться глікоген та інші вуглеводи, різні ліпіди, екстрактивні речовини та мінеральні солі.

У м’язах розрізняють 3 види білків:

- білки саркоплазми;

- білки міофібрил;

- більки строми.

У саркоплазмі м’язів містяться білки, що розчиняються у воді або сольових розчинах. Донедавна в цих білках розрізняли міогенну, альбумінову, глобулінову та міоглобулінову фракції. Але ці фракції не однорідні. Так, міогенна фракція включає в себе ряд ферментів гліколізу. Неоднорідними є й інші білки – ферменти, що знаходяться в мітохондріях і відповідають за тканинне дихання. Міоальбумін саркоплазми за хімічними властивостями нагадує альбумін плазми крові. Міоглобулін м’язів – типовий хромопротеїн, що як і гемоглобін, з’єднюється з киснем і забезпечує процес дихання м’язів. Червоний колір м’язів зумовлений великим вмістом у них міоглобіну. Міоглобін має у 5 разів більшу спорідненість із киснем, ніж гемоглобін. Це сприяє забезпеченню значного резерву кисню в м’язовій тканині при його нестачі.

Білки міофібрил. До складу міофібрил входять такі білки: міозин (56-60%), актин (20-25%), тропоміозин (10-15%) і тропоніновий комплекс (4-6%).

Білки строми в поперечносмугастих м’язах представлені переважно колагеном, нейрокератином, еластином тощо. Ці білки входять до складу сполучно-тканинних елементів стінок судин, нервів та сарколеми.

Ліпіди. У м’язах знаходяться нейтральні жири, стериди, фосфоліпіди. Нейтральні жири входять у простір між структурами м’язових волокон і відіграють роль резервного жиру. Їх вміст дуже непостійний.

Холестерин і фосфоліпіди є обов’язковими складовими компонентами всіх м’язів і входять до складу клітинних мембран. Вміст фосфоліпідів і холестерину в м’язах збільшується під час тренування.

Екстрактивні речовини м’язів. Скелетні м’язи містять ряд важливих екстрактивних речовин: нуклеотиди (АТФ, АДФ, АМФ, ТТФ, УТФ, ЦТФ, інозинмонофосфат), креатинфосфат, креатинін, карнозин, ансерин, картітин тощо.

Серед них креатинін та креатинфосфат мають пряме відношення до скорочення м’язів. В їх синтезі беруть участь 3 амінокислоти: аргінін, гліцин, метіолін. Утворення їх починається в нирках, а завершується в печінці і м’язах. Карнозин і ансерин – це імідазальні дипептиди, які підвищують ефективність роботи іонних насосів м’язової тканини, сприяють збільшенню амплітуди м’язового скорочення, проявляють виражену антиоксидну дію.

З амінокислот у м’язах найбільше глутамінової кислоти та глутаміну.

Безазотні екстрактивні речовини м’язів представлені переважно вуглеводами та продуктами їх обміну. Найбільше в м’язах глікогену. У людини вміст глікогену у м’язах знаходиться в межах 0,4-0,8 %, але під впливом тренування він можезбільшуватися до 1,5-3 %. Втомлені м’язи містять незначну кількість глікогену.

Під час роботи глікоген м’язів розпадається на глюкозу, тріозофосфорні ефіри та інші проміжні продукти гліколізу, в тому числі молочну кислоту.

Мінеральні речовини. Загальний вміст мінеральних речовин в м’язах на сиру масу становить 1,0-1,5 %. Із катіонів у м’язах переважають K, Na, Ca, Mg, є також мідь, марганець, цинк; з аніонів – найбільше фосфатів та сульфатів. За рахунок іонів у м’язах підтримуються сталість Ph і осмотична рівновага, здійснюється специфічний вплив на їх збудливість та скоротливість. Зниження концентрації солей у м’язах призводить до зменшення їх збудливості.

В основу сучасного уявлення про механізм м'язового скорочення покладено запропоновану Г.Хакслі та іншими дослідниками модель ниток, що плавно переміщаються одна вздовж одної (1954 рік).

Головні постулати цієї моделі, що були підтверджені біохімічними, біофізичними й електронномікроскопічними дослідженнями:

- товсті та тонкі філаменти міофібрил не змінюють своєї довжини протягом м'язового скорочення;

- протягом м'язового скорочення зменшується довжина всього саркомера внаслідок зустрічного руху та перекривання товстих і тонких філаментів;

- скорочувальна сила генерується внаслідок активної взаємодії одного типу філаментів з іншими, сусідним типом філаментів.

Було також встановлено, що м'язове скорочення, в основі якого лежить переміщення товстих і тонких філаментів, потребує участі АТФ; циклічне перетворювання АТФ в АДФ є необхідною передумовою як скорочення, так і розслаблення м'язів. Гідроліз АТФ до АДФ та Фк здійснюється завдяки АТФазній активності глобулярних голівок міозину. Вперше наявність АТФазної активності в міозині була виявлена в 1939 році російським вченим В.О.Енгельгардтом і М.М.Любимовою.

Морфологічна будова м'язової клітини подібна до будови інших клітин, але у зв'язку з виконанням специфічної функції вона має деякі особливості.

М'язове волокно оточене електрозбудливою мембраною - сарколемою. Це двошарова ліпопротеїдна мембрана. На сарколемі розташовані місця контакту із закінченнями рухових нервів - синапси. Сарколема характеризується вибірковою проникністю для різних речовин. Через неї не проходять високомолекулярні сполуки: білки, вищі жирні кислоти, а проходять глюкоза, молочна і піровиноградна кислоти, амінокислоти, кетонові тіла. У сарколемі розміщені транспортні системи, за допомогою яких підтримується різна концентрація іонів Na і K, а також Cl всередині клітини і в міжклітинній рідині, що приводить до виникнення на її поверхні мембранного потенціалу. Виникнення мембранного потенціалу дії під впливом нервового імпульсу – необхідна умова виникнення збудження м’язового волокна.

Внутрішній простір м’язового волокна – саркоплазма. У ній містяться різні субклітинні частинки: ядра, мітохондрії, рибосоми, міофібрили. Міофібрили складають біля 80% об’єму м’язового волокна.

Міофібрили – це скорочувальні елементи м’язового волокна, кількість яких може досягати декількох тисяч.

У звичайний світловий мікроскоп видно, що міфібрили мають поперечно-смугастий вигляд: чергуються темні і світлі ділянки, які називаються дисками.

Темні ділянки або А-диски (анізотропні) в центрі містять світлішу Н-зону, посередині якої проходить темна М-лінія. Світлі ділянки, або І-диски (ізотропні) в центрі перетинаються вузькою Z-лінією (Z-мембраною) (рис. 27, стор. 254 Біохімія, Явоненко).

Ділянка міофібрили між двома Z-мембранами називається саркомером. Це найменша скорочувальна одиниця м’яза. Саркомери розміщені один за другим вздовж міфібрили, повторюючись через кожні 1500-2300 нм. У міофібрилі може міститися декілька сотень саркомерів. Від їх довжини і кількості в міофібрилі залежать швидкість і сила скорочення м’яза.

Електронномікроскопічні дослідження дозволили встановити тонку будову протофібрил, темних і світлих ділянок.

В анізотропних дисках зосереджені товсті нитки з поперечними містками. Сюди заходять і тонкі нитки, тому ці диски неоднорідні. В ізотропних дисках розміщені тільки тонкі нитки.

Товсті нитки складаються з довгих паличкоподібних молекул білка міозину. Кожна молекула побудована з двох важких (молекулярна маса – 200000 Да) і 4-х легких (молекулярна маса – 16000 – 200000 Да) поліпептидних ланцюгів. Важкі ланцюги мають α-спіральну структуру і закручені один навколо одного, утворюючи довгий стержень («хвіст» молекули) (рис. 22.2, Гонський).

Кінець важкого ланцюга утворює разом із двома легкими ланцюгами глобулярну голівку молекули. Таким чином, кожна молекула міозину має довгий хвіст і подвійну голівку. Молекула міозину може згинатись на певній ділянці так, що голівка і частина хвоста повертаються, як на шарнірі.

Глобулярна частина молекули міозину має дуже важливу особливість: в присутності іонів Ca² вона проявляє АТФазну активність, тобто здатна розщеплювати молекули АТФ. Приблизно 400 паличкоподібних молекул міозину об’єднуються в товстий філамент.

Тонкі протофібрили містять білки актин, тропоміозин а тропонін. Відомі дві форми актину: глобулярний G-актин і фібрилярний F-актин. Молекули глобулярного актину нековалентно з’єднуються, утворюючи F-актин. Два ланцюги F-актину закручені один навколо одного в спіраль (рис. 22.4, Гонський).

Кожна молекула G-актину має центр зв’язування, який у стані спокою заблокований. У поздовжньому жолобку спіралі F-актину розміщена паличкоподібна молекула білка тропоміозину. З однією молекулою тропоміозину контактують 7 пар глобулярного актину. Крім того, така структура включає 1 молекулу глобулярного білка тропоніну, який складається із 3-х субодиниць (С,І,Т). У розслабленому м’язі тропоміозин блокує нитки актину, а тропонін інгібує ферментативну активність міозину. Це запобігає розщепленню АТФ і звільненню енергії, необхідної для м’язового скорочення. Блокада знімається іонами Ca², які зв’язуються з комплексом тропонін-тропоміозин і інактивують його.

Міофібрили містять приблизно 2500 філаментів. Товсті й тонкі філаменти розміщені в міофібрилах упорядковано. На поперечному розрізі тонкі філаменти утворюють шестикутник, у центрі якого розташований товстий філамент. Товсті і тонкі нитки взаємодіють між собою внаслідок утворення поперечних мостиків.

При скороченні м’язів довжина товстих і тонких ниток не змінюється, а вкорочується відстань між Z-мембранами в саркомерах. Відповідно, зміна довжини м’яза є результатом ковзання товстих і тонких ниток одна відносно іншої, що супроводжується зміною ступеня перекривання товстих і тонких ниток.

Кожну міофібрилу оточує система поздовжніх і поперечних трубочок, пухирців, мембран, яка називається саркоплазматичним ретикулумом (СР). Основна функція СР полягає в регуляції вмісту іонів кальцію у просторі між актином і міозином. Під дією нервового імпульсу СР викидає іони Ca², а після припинення його дії знову поглинає Ca². На мембрані СР розміщені також рибосоми, на яких здійснюється синтез білка.

Між фібрилами, тісно прилягаючи до ретикулуму, розміщуються мітохондрії – «енергетичні станції» м’язових волокон, де утворюється АТФ. Кількість мітохондрій у тренованих м’язах у порівнянні з нетренованими збільшується.

Залежно від АТФ взаємодія актину з міозином, що призводить до взаємного переміщення тонких в товстих філаментів саркомера, відбувається наступним чином (рис. 32.8, Губський).

А. У м’язі, що перебуває в стані спокою, голівки міозину не сполучені з актиновими філаментами. Продукти гідролізу АТФ (АДФ ТА Фк) зв’язані з міозином.

В. При збудженні м’яза голівки зсуваються в напрямку тонких філаментів і сполучаються з нитками актину (G-субодиницями). Фк вивільняється з комплексу з міозином.

С. Вивільнення АДФ з комплексу з міозином супроводжується конформаційним зсувом у просторовому розташуванні голівки, що зв’язана з актином (зміщенням кута між голівкою і віссю міофібрили з 90 на 45). Зміна просторової орієнтації голівки міозину відносно нитки актину призводить до розвитку напруги і пересування тонкого філамента відносно товстого приблизно на 100 А (10 км) у напрямку середини саркомера.

Д. Взаємодія з актином молекули АТФ супроводжується розривом зв’язку між актином і міозином. Голівка знову віддаляється від тонкого філамента.

Е. АТФ, що вивільнився, гідролізується до АДФ та Фк завдяки АТФазній активності вільних голівок міозину. Продукти гідролізу знову сполучаються з актином. Актинові та міозинові філаменти готові до нового циклу взаємодії та пересування.

Скорочення м’яза ініціюється потенціалом дії, який поширюється від нейром’язового синапса в обох напрямках вздовж м’язового волокна. Поширення потенціалу дії з сарколеми на трубочки Т-системи, що контактують із мембранами саркоплазматичного ретикулуму, спричинює вихід Ca² з канальців СР. Внаслідок цього концентрація іонів Ca² у саркоплазмі швидко зростає із 10 – 10 моль/л до 10 моль/л. Іони Са²⁺ приєднуються до кальційзв’язувальної субодиниці тропоніну тонких філаментів, що зумовлює зміну конформації білка. Це, у свою чергу, спричиняє переміщення молекули тропоміозину по жолобку тонкого філамента. Внаслідок цих молекулярних змін звільняються ділянки взаємодії між актином і голівками міозину, що приводить до скорочення міофібрил.

Послідовність потоку хімічної інформації,що призводить до скорочення скелетних м’язів, можна відобразити такою схемою:

Са²⁺ → тропонін → тропоміозин → актин → міозин .

Коли на волокно перестають надходити нервові імпульси, вихід Са²⁺ з цистерн припиняється, а Са²⁺ - АТФаза мембран СР викачує їх із саркоплазми назад у цистерни. У цих умовах виключається активація тропонілового комплексу, тропоміозин переходить у положення, яке блокує взаємодію міози нових голівок з актиновими філаментами. М’яз розслаблюється. Таким чином АТФ необхідний і для скорочення м’язів і для їх розслаблення.

При недостачі АТФ містки між актином і міозином не розриваються і філаменти фіксуються в з’єднаному положенні, розвивається ригідність м’язів. Цим пояснюється трупне окоченіння після смерті.

Для підтримання скорочувальної функції м’яза концентрація АТФ в ньому повинна бути на постійному рівні в межах від 2 до 5 ммоль ∙ кг^-1. Тому при м’язовій діяльності АТФ повинен відновлюватися із швидкістю, з якою розщеплюються в процесі скорочення, що здійснюється окремими біохімічними механізмами її ресинтезу.