Тетания и трупное окоченение. Ригорный комплекс

Тетания, состояние чрезмерного мышечного сокращения, иногда развивается при длительной, повторной и суммирующейся стимуляции мышц. Причиной является истощение АТФ и других высокоэнергетических фосфатов, которые помогают поддерживать нормальный уровень АТФ. К высокоэнергетическим фосфатам в данном случае относятся другие нуклеозид трифосфаты (НТФ), креатин фосфат (КФ) и АДФ (см. уравнения 5,6 и 7). Эти реакции катализируют нуклеозид дифосфокиназа, креатин киназа и аденилат киназа, соответственно.

НТФ + АТФ  НДФ + АТФ Уравнение 5

КФ + АДФ  Креатин + АТФ Уравнение 6

АДФ + АДФ  АМФ + АТФ Уравнение 7

Тетаническая стимуляция приводит к нарастанию кальция в саркоплазме и уменьшению АТФ. В результате при сильном мышечном сокращении кальций связан с тропонином-С, но нет АТФ, достаточного для перекачки кальция в цистерны СР и разрыва актомиозиновых поперечных мостиков. Тогда митохондрии получают преимущественную возможность для закачки кальция в свой матрикс. Тем самым создаются условия для удаления кальция, связанного с тропонином-С; места связывания миозина на тонких нитях закрываются, и мышца переходит в расслабленное состояние. Однако отсутствие АТФ оставляет миозин в низкоэнергетическом конформационном состоянии. Поэтому новые циклы мышечной стимуляции хотя и приводят к сокращению мышц, но сила его невелика. Об этой физиологической реакции говорят, как о мышечном утомлении.

Смерть выравнивает все реакции. Одним из первых наступает ионное равновесие во всех отсеках организма из-за потери ионными насосами своих источников энергии. В мышцах это приводит к перемещению кальция из цистерн и извне клетки в саркоплазму. Там его концентрация достигает высокого уровня, что вызывает конформационные изменения в тропонин-тропомиозиновом комплексе. Эти изменения таковы, что места связывания на тонких нитях становятся доступны для миозина. Развивающаяся в результате некотролируемая сократительная активность ускоряет процесс истощения источников АТФ, где все или почти все молекулы миозина вовлечены в поперечно связанные актомиозиновые комплексы. Такое состояние развивается в мышцах вскоре после смерти. Оно обусловлено большим количеством поперечных связей между толстыми и тонкими нитями и известно как трупное окоченение.

Гладкие мышцы

Несмотря на то, что модель скольжения толстых и тонких нитей достаточно адекватно отражает механизм сокращения во всех мышечных группах, имеются значительные различия между поперечно-полосатой и гладкой мускулатурой. Это вытекает хотя бы из того факта, в гладких мышцах потеря тропонина не приводит к утрате сократительной способности, она продолжает регулироваться уровнем цитозольного кальция. Объяснение пришло позже, когда установили, что в регуляцию перемещения тропомиозина гладких мышц к - и от мест связывания миозина на тонких нитях вовлечен белок, связывающий Са²⁺/кальмодулин. Белок назваликальдесмон. Было установлено, что он участвует в регуляции перемещения тропомиозина гладких мышц к - и от центров связывания миозина на тонких нитях.

В общих чертах, картина выглядит следующим образом. Увеличение уровня цитозольного кальция приводит к повышенному его связыванию с кальмодулином. В свою очередь, комплекс кальция с кальмодулином связывает кальдесмон. Тем самым кальдесмон отщепляется от своего места связывания на тонких нитях. Одновременно наблюдается изменение местоположения тропомиозина в спиральной бороздке F-актина и активируется актомиозиновая АТФ-аза. Когда количество кальция уменьшается, комплекс его с кальмодулином диссоциирует; кальдесмон отщепляется от этого комплекса и соединяется с тонкими нитями. Соответственно, ингибируется активность актомиозиновой АТФ-азы. В сущности, кальдесмон здесь выполняет функцию тропонина в качестве зависимого от кальция (Са²⁺/кальмодулина) регулятора местонахождения тропомиозина на тонких нитях.

Другой отличительной особенностью гладких мышц является наличие в составе миозина уникальной короткоцепочечной полипептидной цепи, получившей название «легкая цепь Р». Эта субъединица может находиться в фосфорилированном и дефосфорилированном состоянии. Присоединение к ней остатка фосфорной кислоты катализирует специальный фермент – киназа легкой цепи миозина, которая также зависит от комплекса Са²⁺/кальмодулин. В отсутствие этого комплекса гладкие мышцы неподвижны, киназа неактивна, а легкие Р-цепи нефосфорилированы. Повышение концентрации этого комплекса приводит к активации киназы легких цепей миозина, соответственно, к фосфорилированию легких Р-цепей и сокращению. Дело в том, что для сокращения гладких мышц необходимы фосфорилирование легких Р-цепей миозина и отщепление кальдесмона от тонких нитей. Цепь вышеперечисленных событий, причастных к сокращению гладких мышц, приведена на рис.17.12.

Рис.17.12. Молекулярный механизм сокращения гладких мышц

Увеличение концентрации Са²⁺до 10^-5моля вызывает образование комплекса кальция с кальмодулином (СаКМ), который активирует тонкие нити за счет связывания кальдесмона (Кальд) и освобождая места связывания миозина на тонких нитях. СаКМ также связывает и активирует киназу легкой цепи миозина (КЛЦП). Активная киназа катализирует фосфорилирование легкой цепи-Р миозина, в результате активируется актомиозиновая АТФ-азная активность головок миозина. Связывание адреналина с-адренорецепторами увеличивает количество цАМФ и, следовательно, активность зависимой от цАМФ протеинкиназы (ПКА). В результате снижается сродство МЛЦК к СаКМ, тем самым регулируется сила сокращений, вызванных увеличенным уровнем цитозольного кальция.

Источники энергии для мышечного сокращения

Помимо тех путей образования АТФ, которые показаны в уравнениях 5,6 и 7, этот макроэрг может синтезироваться в ходе гликолиза, путем субстратного фосфорилирования, и при тканевом дыхании (окислительное фосфорилирование) (рис.17.13). Энергию для этого могут поставлять глюкоза, жирные кислоты и кетоновые тела.

Рис.17.13. Источники энергии для мышечного сокращения

При неинтенсивной мышечной работе эти субстраты расщепляются до конечных продуктов, СО₂и Н₂О, а для этого необходим кислород. С увеличением силы и длительности мышечных сокращений потребность в кислороде увеличивается. При этом запасов предварительно синтезированной АТФ хватает не более, чем на 1с. Самым быстрым процессом, способным осуществить поставку АТФ в этих условях, является расщепление креатин-фосфата²с помощью креатин киназы. Однако запасов креатин-фосфата хватает только на несколько секунд интенсивной мышечной работы.

Пожалуй, самым важным резервом энергии в мышцах является гликоген, который синтезируется здесь в период покоя и составляет 2% от мышечной массы. Глюкоза, которая высвобождается из гликогена в ходе его фосфоролитического расщепления, расходуется на синтез АТФ. Это обеспечивают процессы анаэробного гликолиза или окислительного фосфорилирования. Расщепление гликогена в мышцах находится под гормональным контролем. Адреналин активирует его за счет образования цАМФ и последующей активации киназы фосфорилазы. Увеличение концентрации кальция во время мышечного сокращения также приводит к активации гликоген фосфорилазы.

Очень непродолжительный период в поддержании необходимого уровня АТФ участвует аденилаткиназа (миокиназа). Фермент катализирует образование АТФ и АМФ из двух молекул АДФ.

Естественно, что среди всех этих процессов самым эффективным является окислительное фосфорилирование. Именно оно обеспечивает потребность сердечной мышцы в АТФ для своей постоянной работы. Поэтому сердечная мышца так чувствительна к любым нарушениям доставки к ней кислорода. Необходимо отметить, что всем мышцам, в которых преимущественным путем образования АТФ является окислительное фосфорилирование, требуется много кислорода. Чтобы обеспечить его бесперебойное поступление, в таких мышцах присутствует оксимиоглобин в качестве своеобразной формы депонирования кислорода. Наличие миоглобина придает им красную окраску ("красные мышечные волокна").

В тех мышцах, в которых потребности в АТФ удовлетворяются, главным образом, за счет гликолиза, миоглобина нет. Поэтому они имеют белую окраску ("белые мышечные волокна"). Именно в белых мышечных волокнах сосредоточены большие запасы гликогена. В функциональном плане, различия между красными и белыми мышечными клетками заключаются в том, что в белых волокнах образование АТФ происходит в сравнительно коротком метаболическом пути (гликолизе) за счет субстратного фосфорилирования. В красных мышечных волокнах путь от субстрата (к примеру, та же глюкоза) до АТФ состоит из многих этапов (гликолизокислительное декарбоксилирование пируватаЦТКдыха-тельная цепь) и является более длительным процессом. Вот почему быстро работающие скелетные мышцы состоят преимущественно из использующих гликолиз белых мышечных волокон, в то время как медленно работающие мышцы, как например те, которые поддерживают тонус, используют окислительное фосфорилирование и являются красными.