В группу мышечных тканей ткани объединяются по функциональному признаку: способности к сокращению. В эту группу входят следущие ткани: скелетная поперечно-полосатая мышечная ткань, гладкая мышечная ткань, сердечная поперечно-полосатая мышечная ткань, миоэпителиальные клетки и мионевральные элементы радужной оболочки глаза.
Значение мышечных тканей в жизни человека и животных чрезвычайно велико. Для животных возможность движения является необходимой и совершенствуется в борьбе за существование. Двигательные процессы в организме, в том числе движение крови по сосудам, перемешивание и передвижение пищевых масс по пищеварительной трубке осуществляется за счет сократимых мышечных тканей. Кроме того, мышечная ткань обусловливает процессы движения в пространстве путем преодоления сил гравитации. У плодов скелетная мышечная ткань выполняет функцию мышечного насоса, способствующего циркуляторным отправлениям сердечнососудистой системы, а у новоржденного мышечная системв выполняет функцию терморегуляции. Так, у новорожденных щенят поперечно-полосатая мускулатура все время находится в состоянии активности даже во сне. В связи с этим, не рекомендуется тугое пеленание новорожденных детей. Установлено, что возрастание тонической активности скелетных мышц при снижении температуры среды связано с избыточным образованием норадреналина.
У человека мышечная система имеет большое значение и для проявления умственной деятельности. По словам И.М.Сеченова «У человека все внешние проявления мозговой деятельности действительно могут быть сведены на мышечное движение. Все без исключения качества внешний проявлений мозговой деятельности, которые мы характеризуем, например словами: одушествленность, страстность, насмешка, печаль, радость и прочее, суть не что иное, как результаты большого или меньшего укорочения какой-нибудь группы мышц» Наиболее полно роль мышечной системы в жизнеобеспечении организма человека отражается в другом изречении Сеченова: «Смеется ли ребенок при виде игрушки, улыбается ли Гарибальди, когда его гонят за излишнюю любовь к Родина, дрожит ли девушка при первой мысли о любви, создает ли Ньютон свои мировые законы и пишет их на бумаге – везде окончательным фактором является мышечное волокно»
По функции мышечные ткани подразделяются на произвольную (скелетную), непроизвольную (гладкую мышечную ткань) и сердечную мышечную ткань.
По происхождению мышечные ткани подразделяются на мезенхимные (гладкая мышечная ткань), эпидермальные, развивающиеся из кожной эктодермы и из прехондральной пластинки (миоэпителиальные клетки), нейральные, развивающиеся из нервной трубки (мышечная ткань радужной оболочки), целомические, возникающие из миоэпикардиальной пластинки висцерального листка сомита (сердечная мышечная ткань) и соматические, формирующиеся из миотомов сомитов мезодермы (скелетная мышечная ткань).
Скелетная поперечно-полосатая мышечная ткань
Гистогенез. На определенном этапе развития миотомов сомитов распадаются на отдельные клетки - миобласты, которые состоят из одноядерных клеток цилиндрической или веретенообразной формы, с базофильной цитоплазмой. Часть миобластов остаются на месте, а часть выселяются в мезенхиму. При электронной микроскопии в цитоплазме миобластов обнаруживается эндоплазматическая сеть, состоящая из небольшого числа пузырьков с гладкой поверхностью. Митохондрии имеют овальную форму. Имеются многочисленные рибосомы. Миобласты дифференцируются в двух направлениях. Клетки одной линии сливаются , в результате чего образуются удлинененные симпластические структуры – миосимпласты, которые имеют неправильную форму, в центре концентрируются многочисленные ядра. Механизм образования миосимпластов является предметом продолжительной дискуссии. Большинство исследователей считают, что образование миосимпластов происходит в результате слияния нескольких миобластов. Однако последующее деление этих структур не завершается цитотомией, что приводит к образованию многоядерной структуры – миосимпласта. На этой стадии уже начинается образование миофибрилл на основе синтеза специфических сократительных белков (актина, миозина, тропомиозина). Первым признаком фибриллогенеза является образование в цитоплазме продольно ориентированных нитей, состоящих из мелких гранул. Собираясь в пучки эти нити формируют миофибриллы, различимые при световой микроскопии. Первые миофибриллы появляются в периферических участках миосимпластов уже у 5 –6 –недельных зародышей человека. Ведущая роль в синтезе сократительных белков принадлежит свободным рибосомам. Первоначально образовавшиеся миофибриллы тонкие и короткие. Рост их в толщину происходит за счет наслоения новых протофибрилл с периферии. Сначала протофибриллы лежат беспорядочно. В дальнейшем в результате роста миосимпластов в длину, увеличения в них числа миофибрилл и активного деления ядер образуются мышечные трубочки или миотубы. Они представляют собой длинные цилиндрической формы симпластические структуры с многочисленными ядрами, расположенными в центре в виде ядерно цепочки. При этом, миофибриллы располагаются по периферии. Развитие миотуб характеризуется постепенным увеличением числа миофибрилл. Часть миофибрилл возникает заново, но часть формируется при продольном расщеплении существующих после предварительного их утолщения. В результате увеличения числа миофибрилл они заполняют почти всю цитоплазму миотуб. При этом, ядра постепенно из центра перемещаются на периферию. Клеточные центры и микротрубочки полностью исчезают. Гранулярная сеть в значительной степени редуцируется. В результате происходит формирование мышечных волокон или миосимпластов. В период формирования дефинитивной структуры мышечных волокон их диаметр увеличивается. Это связано с гипертрофией саркоплазмы и значительным ростом числа миофибрилл. Одновременно волокна растут в длину. Процесс роста волокон более выражен в местах их перехода в сухожилие.
Клетки другой линии остаются самостоятельными и дифференцируются в миосателлитоциты (миосателлиты). Эти клетки лежат на поверхности (в углублениях) миосимпластов (мышечных волокон) и являются малодифференцированными клетками, являющимися источником регенерации мышечной ткани. Они прилежат к поверхности миосимпласта, так что их плазмолеммы соприкасаются. Миосимпласты и миосателлиты покрыты с поверхности общей базальной мембраной. Миосателлиты веретенообразной формы, одноядерные, их ядра овальной формы и более мелкие, чем в симпластах Эти клетки обладают всеми органеллами общего назначения, но развиты они слабо.Число клеток сателлитов составляет около 10% от числа ядер в мышечном волокне.
Структурно-функциональной единицей поперечно- полосатой мышечной ткани является мышечное волокно, которое представляет собой симпластическую структуру. Мышечное волокно имеет вид длинного цилиндрического образования, поперечник которого колеблется от 9 до 150 мкм, а длина достигает 12 и более см. Концы мышечных волокон закруглены или скошены. Иногда встречаются мышечные волокна с разветвленными концами.
Поверхность мышечного волокна покрыта тонкой оболочкой – сарколеммой, которая состоит из двух листков. Внутренний листок представляет собой плазматическую мембрану. Наружный листок является беструктурной мембраной, аналогичной базальной мембране, содержащей гликозаминогликаны. Между двумя листками плазмолеммы лежат многочисленные миосателлиты. К наружной поверхности сарколеммы прикрепляются коллагеновые фибриллы, которые осуществляют связь с с окружающей соединительной тканью. От сарколеммы внутрь волокна образуются впячивания. Они идут перпендикулярно к поверхности волокна. Это Т-каналы, которые обладают регидностью (жесткостью, негибкостью). По Т-каналам в цитоплазму волокна поступают вода и другие вещества.
В цитоплазме мышечного волокна (саркоплазме) под сарколеммой лежат многочисленные ядра. В зрелом мышечном волокне ядра имеют вытянутую форму. Их количество в одном симпласте может достигать нескольких десятков тысяч. В цитоплазме мышечного волокна содержится эндоплазматическая сеть, которая состоит из краевых цистерн, оплетающих Т-каналы, и центральной части, образованной продольными ветвящимися и анастомозирующимися друг с другом каналами с относительно узким просветом, получившим название L-каналы. Мембраны эндоплазматической сети не содержат рибосом. Митохондрии (саркосомы) в мышечных волокнах очень многочисленны. Их больше в быстро сокращяющихся волокнах. В периферической саркоплазме вблизи полюсов ядер располагается аппарат Гольджи и небольшие фрагменты гранулярной эндоплазматической сети.
Специальными органоидами в мышечном волокне являются миофибриллы. Они представляют собой тонкие нити, идущие по длине волокна. Число их в разных мышечных волокнах неодинаково. Каждая миофибрилла окружена продольно расположенными и анастомозирующими между собой петлями агранулярной эндоплазматической сети (саркоплазматической сети), в которой депонируются ионы кальция .Миофибриллы состоят в свою очередь из более тонких нитей – протофибрилл, состоящих из сократительных белков. При биохимическом исследовании установлено, что миофибриллы состоят из сократительных белков (80%), в том числе миозина (50%), актина (25%) и тропомиозина (5%). Различают два вида протофибрилл: миозиновые и актиновые. Миозиновые протофибриллы более толстые и состоят из белка миозина, а актиновые протофибриллы более тонкие и состоят из белка актина. Однотипные протофибриллы (и актиновые, и миозиновые) лежат упорядоченно, то есть параллельно друг другу. В результате упорядоченного расположения миозиновых протофибрилл формируются темные участки, обладающие двойным лучепреломлением, которые получили название анизотропных дисков (А- диски). Тонкие актиновые протофибриллы также располагаются упорядоченно, благодаря чему формируют светлые участки, обладающие одинарным лучепреломлением. Эти участки получили название изотропных дисков (И –диски). Чередование анизотропных и изотропных дисков обусловливает поперечную исчерченность мышечного волокна.При этом каждая миозиновая протофибрилла окружена 6 актиновыми протофибриллами. Посередине светлого диска располагается сеть из белковых фибриллярных молекул (прежде всего молекул белка альфа-актинина), с которой связаны концы актиновых филаментов. Эта сеть получила название Z-линии (телофрагмы, Т-линии). Филаменты актина объединены с Z-линией и нитями миозина фибриллярными нерастяжимыми молекулами небулина. Посередине темного анизотропного диска располагается фибриллярная сеть, построенная из миомезина. Она образует мезофрагму или М-линию. В узлах М-линии закреплены концы миозиновых филламентов. Другие их концы направляются в сторону Z-линии и располагаются между филламентами актина, но до самих Z-линий тоже не доходят. Вместе с тем эти концы фиксированы по отношению к Z- линии растяжимыми гигантскими белковыми молекулами титина. Участок миофибрилл от одной полоски Т до другой полоски называется саркомером, то есть соседние саркомеры имеют общую пограничную структуру – Z-линию. Саркомеры являются структурно-функциональными единицами миофибриллы.
Молекулы миозина имеют длинный хвост и на одном из его концов располагаются две головки. При повышении концентрации ионов кальция в области присоединения головок молекула изменяет свою конфигурацию. При этом, миозиновые головки связываются с актином (при участии тропомиозина и тропонина). После чего головка миозина наклоняется и тянет за собой актиновую молекулу в сторону М-линии. При этом, Z-линии сближаются и саркомер укорачивается.
Альфа-актиновые сети Z-линий соседних миофибрилл связаны друг с другом промежуточными филаментами. Они подходят к внутренней поверхности плазмолеммы и закрепляются в кортикальном слое цитоплазмы, так что саркомеры всех миофибрилл лежат на одном уровне. Это и создает поперечную исчерченность.
Когда клетка получает сигнал о начале сокращения, он перемещается по плазмолемме в виде потенциала действия и доходит до Т-трубочек. Поскольку эта мембрана сближена с мембранами саркоплазматического ретикулума, состояние последних меняется, кальций освобождается из цистерн сети и взаимодействует с актино-миозиновыми комплексами (они сокращаются). Когда потенциал действия исчезает, кальций снова аккумулируется и сокращение миофибрилл прекращается. Для сокращения нужна энергия, которая освобождается за счет расщепления АТФ ферментом АТФ-азой. Роль Атф-азы выполняет миозин. Источником АТФ служат главным образом митохондрии, поэтому они и располагаются непосредственно между миофибриллами. Большую роль в деятельности мышечных волокон играют включения миоглобина и гликогена. Гликоген служит источником энергии, необходимой не только для сокращения мышечной работы, но и поддержания теплового баланса всего организма. Так, установлено, что гликоген в саркоплазме расщепляется до глюкозы, а затем последняя расщепляется до молочной кислоты (гликолиз, то есть в отсутствии кислолрода), которая в присутствии кислорода расщепляется до углекислого газа и пировиноградной кислоты (дыхательный цикл Кребса). При этом освобождается АТФ. Часть энергии используется для превращения оставшейся молочной кислоты в гликоген. Миоглобин – это белок, по химическому строению очень близок к гемоглобину эритроцитов и тоже способен связывать кислород и отдавать его по мере надобности. Миоглобин связывает кислород, когда мышца расслаблена и через мелкие кровеносные сосуды свободно протекает кровь. Во время сокращения мышцы сосуды сдавливаются, а запасенный кислород освобождается и участвует в биохимических реакциях. Окраска миоглобина варьирует от красной до коричневой. Например, коричневая окраска мышцы тюленя обусловлена высоким содержанием миоглобина.
По содержанию миоглобина и на основе гистохимического анализа ферментативной активности и функциональных особенностей выделяют 3 типа (основных) мышечных волокон: белые (тип А), красные (тип В) и промежуточные (тип С).
Белые мышечные волокна более крупные, содержат мало миоглобина, миофибриллы лежат упорядоченно, содержат много гликогена и мало липидов, мало митохондрий, в них преобладают гликолитические процессы, низкая активность окислительно-восстановительных энзимов. Белые мышечные волокна быстро сокращаются и быстро расслабляются (утомляются),поэтому их называют тетоническими..
Красные мышечные волокна небольшого диаметра, содержат много миоглобина, миофибриллы лежат менее упорядоченно, содержат мало гликогена и много липидов, много митохондрий, в них преобладают окислительно-восстановительные процессы, но гликолитические процессы обладают низкой активностью. Эти волокна медленно сокращаются и медленно расслабляются, поэтому их называют тоническими.
Таким образом, по составу ферментов белые мышцы приспособлены к анаэробному гликолизу, а красные волокна – к окислительному обмену.
У человека и приматов эти типы мышечных волокон менее различимы, чем у других млекопитающих. У эмбриона первоначально все мышечные волокна являются красными, а затем появляются белые. Уже у плода человека 13 –17 недель указанные типы мышечных волокон вполне различимы. Свойства мышечных волокон меняются при изменении нагрузок – спортивных, профессиональных, а также в экстремальных условиях (невесомость). Эти изменения являются обратимыми. У диких птиц, способных к длительному полету, грудные мышцы содержат красные волокна, в то время как у домашних кур (нелетающих) грудные мышцы содержат белые волокна. В организме человека нет мышц, которые состоят из одного типа мышечных волокон, но есть мышцы, в которых преобладают те или другие.
Мышечные волокна, как правило, объединяются в пучки, образуя мышцы. В состав мышцы входит более 1миллиона мышечных волокон. При этом каждое мышечное волокно окружено тонкой прослойкой рыхлой неоформленной соединительной ткани и называется эндомизием. Коллагеновые волокна наружного листка сарколеммы (базальной мембраны) вплетаются в эндомизий, что способствует объединению усилий при сокращении миосимпластов (мышечных волокон). Группы мышечных волокон разграничиваются более выраженными прослойками рыхлой соединительной ткани – перимизий. В составе эндомизия и перимизия находится большое количество кровеносных и лимфатических сосудов, и нервов, за счет которых они выполняют трофическую функцию. Вокруг сосудов лежат многочисленные тучные клетки, принимающих участие в регуляции проницаемости сосудистой стенки.Поверхность мышцы покрыта наружным перимизием (эпимизием), который обеспечивает движение относительно соседних мышц с минимальной силой трения и кроме того выполняет опорную функцию.
Поперечно-полосатая мышечная ткань человека при повреждении способна к регенерации. Однако для полного восстановления необходим ряд условий, которые могут быть соблюдены только в эксперименте. В обычных условиях регенерация скелетной мышечной ткани, как правило, подавляется за счет разрастания соединительной ткани эндомизия и перимизия. Последняя быстро заполняет область дефекта и в конечном итоге образует в области краев поврежденных участков соединительнотканный рубец.
Восстановление скелетной мышечной ткани осуществляется за счет двух механизмов: компенсаторной гипертрофии самого симпласта и пролиферации миосателлитов. Ядра мышечных волокон делиться не могут, так как у них отсутствуют клеточные центры, поэтому камбиальными элементами служат миосателлиты. Пока организм растет, миосателлиты делятся, а дочерние клетки встраиваются в концы мышечных волокон. По окончании роста размножение миосателлитов затухает. При повреждении мышечного волокна на некотором расстоянии от места травмы оно разрушается и его фрагменты фагоцитируются макрофагами. В саркоплазме активируются аппарат Гольджи и гранулярная эндоплазматическая сеть, которые синтезируют необходимые вещества для восстановления саркоплазмы и миофибрилл. При этом, на поврежденном конце мышечного волокна формируется утолщение – мышечная почка. Миосателлиты под влиянием продуктов тканевого распада интенсивно пролиферируют и мигрируют к мышечной почке и встраиваются в нее. Часть миосателлитов сливаются (так же, как миобласты при гистогенезе) и образуют миотубы, которые формируют новые волокна, сливающихся с концами сохранившихся мышечных волокон и постепенно замещают дефект между ними. Процесс пролиферации миосателлитов регулируется рядом факторов, в том числе инсулиноподобным фактором роста, тромбоцитарным фактором роста, фактором роста фибробластов и др. Кроме того, одним из условий полноценной регенерации скелетных мышечных волокон является сохранение их базальной мембраны (наружного листка сарколеммы). Предполагают, что сохраненная базальная мембрана служит своеобразным барьером, предотвращающим проникновение клеток фибробластического ряда, но пропускающим макрофаги, поглощающие некротизированную ткань.
В настоящее время разрабатываются методы стимуляции восстановления структуры поврежденных мышц путем введения в них миосателлитов, так как разработаны методы выделения этих клеток из скелетных мышц. Кроме того, в настоящее время предпринята попытка использования этих клеток для замещения погибщей сердечной мышечной ткани. При этом, введенные миосателлиты в поврежденную середечнцю мышцу формируют волокна скелетной мышечной ткани, которые устанавливают связь с кардиомиоцитами.