Биохимия мышц и мышечного сокращения

БИОХИМИЯ МЫШЦ И МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ Главной функцией мышечной ткани является процесс сокращения. Он обеспечивает перемещение тела или отдельных его звеньев в пространстве и сопряжен с выполнением механической работы. Мышечная ткань составляет 40-43% от массы тела. Основная функция мышцы – обеспечивать подвижность путем сокращения и последующего сокращения. При сокращении мышц осуществляется работа, связанная с превращением химический (потенциальной, скрытой) энергии в механическую. Мышцы различают: поперечно-полосатые (в них при микроскопи- ческом исследовании обнаруживают поперечную исчерченность) и гладкие. Поперечно-полосатые мышцы (скелетные) мы можем сокращать произвольно, а гладкими – мышцы внутренних органов (желудочно- кишечный тракт, бронхи, мочевыводящие пути и т.д.) и кровеносных сосудов, которые сокращаются независимо от нашего сознания и воли, – управлять не можем. Мышца сердца – поперечно-полосатая, но относится К непроизвольным. Известны 3 типа мышечных волокон: белые, быстро сокращающиеся, промежуточные и медленно сокращающиеся. Химический состав поперечно-полосатых мышц: 72-80% воды, около 2021% - доля сухого вещества, в основном белков, а также гликоген и другие углеводы, липиды, азотистые вещества, соли органических и неорганических веществ и другие химические соединения. Строение мышечной клетки. Каждая мышца состоит из нескольких тысяч мышечных волокон, объединяемых соединительными прослойками и такой же оболочкой. Мышца представляет собой многокомпонентный комплекс. Мышечные волокна построены из продольно расположенных миофибрилл диаметром около 1 мкм, в которых чередуются темные и светлые диски. Темные диски обладают двойным лучепреломлением и называются А (анизотропными) – дисками. Светлые диски, не обладающие двойным лучепреломлением, называются 1 (изотропными) – дисками. В середине диска I расположена плотная линия Z, которая пронизывает все волокно, как бы удерживая миофибриллы в пучке и одновременно упорядочивая расположение А- и I-дисков многих миофибрилл. Пучок миофибрилл от одной до другой Z-линии называется саркомером. Каждый саркомер включает: 1) сеть поперечных трубочек, ориентированных под углом 90о к продольной оси волокна и соединяющихся с наружной поверхностью клетки; 2) саркоплазматический ретикулум, составляющий 8-10% объема клетки; 3) несколько митохондрий. Миофибриллярные структуры представляют собой агрегаты, состоящие из толстых филаментов и расположенных между ними тонких филаментов, которые входят своими концами в промежутки между толстыми. Мышечное волокно состоит из клеток, окруженных электровозбудимой мембраной – сарколеммой, которая, как и любая другая мембрана, имеет липопротеиновую природу, отгораживает внутреннее содержимое мышечного волокна от межклеточной жидкости, имеет избирательную проницаемость для различных веществ. Для одних веществ мембрана непроницаема совсем, для других проницаема в обоих направлениях, для третьих только в одном направлении. Так, в обычных условиях через нее не могут проходить большие молекулы белков, гексозофосфорные эфиры, но сравнительно легко проникают такие вещества, как глюкоза, молочная и пировиноградная кислота, кетоновые тела, аминокислоты, короткие пептиды, различные ионы. Ионы (Na + , K +) могут проникать в клетку или выходить из нее против (градиента) осмотической концентрации. Это обеспечивается за счет энергии АТФ, т.е. расхода энергии. Во внутриклеточной жидкости – саркоплазме – локализованы органические вещества, минеральные соли, а также субклеточные частицы: ядра, митохондрии, рибосомы, функция которых заключается в регуляции обмена веществ в мышечном волокне путем воздействия на синтез специфических мышечных белков. Внутри саркоплазмы находится саркоплазматический ретикулум, рибосомы, митохондрии ядра, лизосомы. Сокращение мышцы. Этот процесс наиболее подробно изучен на модели поперечно-полосатых волокон, хотя ясно, что механизм сокращения всех мышц примерно одинаков. Пучки поперечно-полосатых мышечных волокон формируют все известные нам мышцы (например, двуглавую мышцу плеча или ягодичную мышцу). Такая структура образована нитями (миофиламентами) сократительных белков и мембранами, к которым они прикреплены. Основная единица мышечного волокна - участок, заключенный между двумя соседними Z-пластинками. Тонкие нити состоят главным образом из белка актина, а толстые нити - из миозина. При сокращении мышцы «головки», выступающие из молекул миозина, прикрепляются к активным нитям и начинают вращаться, обеспечивая движение толстых и тонких нитей друг относительно друга (в целом это очень напоминает работу домкрата, которым приподнимают автомобиль при замене колеса). Такое движение приводит к сближению соседних Z-пластинок, в результате чего вся мышца укорачивается. Теория скользящих нитей, объясняющая сокращение мышцы. Толстые и тонкие нити скользят вдоль друг друга, что приводит к уменьшению расстояния между соседними Z-пластинками. Таким образом, при сокращении мышцы волокно в целом укорачивается, тогда как длина нитей остается неизменной. Для сокращения мышцы требуется энергия в форме АТФ, которая затрачивается на вращение миозиновых головок. Исследователей долго удивлял тот факт, что энергия необходима не только для сокращения, но и для расслабления мышцы, тогда как можно было бы ожидать, что один процесс окажется активным, а другой - пассивным. Поспешность такого заключения наглядно демонстрирует феномен трупного окоченения. После смерти с истощением резерва АТФ в организме мышцы утрачивают способность и сокращаться, и расслабляться. Они оказываются зафиксированными в том состоянии, которое имели в момент, когда запасы АТФ иссякли. Для расслабления мышцы АТФ также необходим, потому что миозиновые головки не могут оторваться от нитей актина, пока их не освободят новые молекулы АТФ, связывающиеся с миозином. Помимо АТФ для сокращения мышцы требуются ионы кальция. которые связываются с тонкими нитями. Концентрация кальция в волокне возрастает при сокращении мышцы и снижается при расслаблении. Регуляция мышечного сокращения. В норме сокращение скелетной мышцы начинается после того, как на нервномышечное соединение (концевую пластинку) поступает нервный импульс. Ацетилхолин, высвобождающийся из терминали аксона, связывается с рецепторами мембраны мышечного волокна и возбуждает ее; возникающий при этом электрический импульс распространяется по мембране. В результате мембраны кальциевых резервуаров в волокне начинают «выпускать» ионы кальция, которые связываются с тонкими миофиламентами (до тех пор, пока такое связывание не произойдет, сокращение невозможно.) После этого миозиновые головки, связанные с молекулами АТФ, могут образовать мостики, соединяющие миозин с тонкими нитями. Затем, используя энергию АТФ, миозиновые головки начинают вращаться, приводя к сокращению волокна. Белки, встроенные в мембраны кальциевых резервуаров, постоянно закачивают кальций обратно. Если на концевую пластинку не поступит следующий нервный импульс и не вызовет высвобождение новой порции ионов кальция, их концентрация в волокне вскоре снизится настолько, что сокращение станет невозможным, и мышца расслабится. Одиночный нервный импульс, поступающий на концевую пластинку, вызывает быстрое сокращение мышцы, за которым сразу следует расслабление Плавное, продолжительное сокращение мышц, благодаря которому вы можете без риска пронести через комнату чашку с кофе, обеспечивается непрерывными потоками нервных импульсов от мозга к концевым пластинкам. Поскольку каждое единичное сокращение начинается раньше, чем наступает расслабление после предыдущего, мышца остается напряженной. Для того чтобы нести поднос с полными тарелками, приходится прилагать большие усилия, чем в случае, когда у вас в руках просто чашка с кофе. Но если мышечное сокращение подчиняется закону «все или ничего», каким же образом регулируется его сила? Дело тут в числе волокон мышцы, активных в каждый данный момент времени. Если требуется сокращение небольшой силы, то лишь немногие волокна получают стимулы от связанных с ними нейронов; для увеличения мощности в дополнение к уже задействованным активируются новые волокна. Энергетика мышечной деятельности Первичный источник энергии в клетках – окислительно- восстановительные реакции. Использование этой энергии в организме осуществляется лишь при посредничестве определенных соединений, в макроэргических связях, в которых она концентрируется. В молекулах ряда веществ макроэргическими называют связи между определенными атомами, содержащие повышенный запас энергии, то есть макроэргические – это богатые энергией связи. Макроэргические соединения – макроэрги - содержат особый тип химической связи, при гидролитическом расщеплении которой в присутствии ферментов происходит сравнительно большая отдача свободной (способной совершать работу) энергии – около 6 ккал/моль. Главное макроэргическое вещество (макроэрг) – аденозинтрифосфорная кислота (сокращенно АТФ). Запасы АТФ в мышцах невелики, поэтому обязательным условием мышечной деятельности является непрерывное возобновление запасов этого соединения в мышцах – ресинтез АТФ. В клетках организма АТФ используется в течение 1 минуты после ее образования. Оборот АТФ очень велик. Человек в покое расходует в сутки примерно 40 кг АТФ, а в период интенсивной работы скорость использования АТФ достигает 0,5 кг за 1 минуту. Ежедневно средний мужчина или женщина используют количество энергии, достаточное для того, чтобы вскипятить 40 литров воды При гидролизе АТФ от нее последовательно отщепляются фосфатные остатки, при этом сначала образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ), содержащая одну макроэргическую связь, а затем аденозин- монофосфорная кислота (АМФ), не содержащая макроэргических связей. В организме энергия АТФ потребляется при работе, сокращении мышцы, осмотической работе почек, разряде электрических органов электрического угря, синтезе новых веществ. Для обеспечения непрерывной работы в мышцах существует несколько механизмов восполнения запасов АТФ. Одни могут осуществлять ресинтез АТФ в присутствии кислорода (в аэробных условиях), другие – в его отсутствие (в анаэробных условиях). Аэробный процесс ресинтеза АТФ – основной процесс, обеспечи- вающий энергией живые организмы с практически неограниченным кругом субстратов окисления – это углеводы (точнее - простые углеводы), жиры (глицерин и высшие жирные кислоты) и белки (аминокислоты). Недостатки аэробного процесса – его инертность и ограниченная мощность (мощность механизма энергообеспечения – максимальное количество энергии, которую процесс может дать в единицу времени, или количество АТФ, ресинтезируемой в единицу времени). Скорость ресинтеза АТФ в ходе аэробного процесса определяется тремя основными факторами: 1. потребностью в энергии (скоростью расщепления АТФ), 2. наличием субстратов окисления, 3. скоростью поставки кислорода. При мышечной работе, когда потребность в энергии высока, а субстраты окисления имеются и поступают в мышцы в достаточном количестве, основным фактором, ограничивающим скорость аэробных процессов, является поставка кислорода. Важнейшими анаэробными процессами являются креатинкиназная и миокиназная реакции (алактатный путь ресинтеза АТФ) и гликолиз (лактатный путь). Ресинтез АТФ в мышечных клетках может осуществляться путем взаимодействия АДФ (а) (аденозиндифосфата) и креатифосфата-вещества, содержащего макроэргическую фосфамидную связь. Катализирует эту реакцию фермент креатинкиназа. К~Ф + АДФ креатинкиназа→АТФ + К а)креатинкиназная реакция Это очень подвижная реакция, своей максимальной интенсивности она может достичь уже через 2 сек. после начала работы. Креатинкиназная реакция характеризуется высокой мощностью, в несколько раз превышающей максимальную мощность аэробного процесса и примерно в 2 раза мощность другого анаэробного механизма – гликолиза. Основной недостаток креатинфосфатного механизма – небольшая метаболическая емкость, ограниченная запасами креатинфосфата в мышцах. Метаболическая емкость процесса энергообеспечения – это общее количество энергии, которое может выделиться в этом процессе, или общее количество АТФ, которое может быть ресинтезировано в этом процессе. 3апасов КФ может хватать только на 6-7 сек. работы максимальной интенсивности, она обеспечивает кратковременные интенсивные физические упражнения. Миокиназная или аденилаткиназная реакция осуществляет ресинтез АТФ (б) путем взаимодействия двух молекул АДФ (аденозиндифосфата), одна из которых при участии фермента миокиназы передает свою фосфатную группу другой молекуле, превращаясь в АМФ (аденозинмонофосфат): АДФ + АДФ → АТФ + АМФ б) перенос фосфатного радикала с одной молекулы АДФ на другую, сопровождающийся образованием АТФ Эта реакция менее выгодна, чем предыдущая. В процессе мышечной деятельности миокиназная реакция вступает в действие только при значительном утомлении, когда другие процессы ресинтза АТФ становятся затруднительными в условиях напряженного энергетического обмена, когда потребность в АТФ резко возрастает, поэтому ее считают аварийной. Появляющаяся при этом АМФ уже не представляет ценности для организма в энергетическом отношении. Другой анаэробный механизм – лактатный путь энергообеспечения – гликолиз. Гликолиз уступает креатиназной реакции по скорости развертывания (своей максимальной интенсивности он может достичь через 20-30 сек. после начала интенсивной мышечной работы) и по мощности, но значительно превосходит ее по метаболической емкости. Метаболическая емкость гликолиза зависит, с одной стороны, от углеводных ресурсов организма, главным образом от запасов гликогена в мышцах. С другой стороны, от способности организма противостоять неблагоприятным изменениям во внутренней среде организма, возникающим в связи с образованием в ходе гликолиза молочной кислоты (лактата), что определяется возможностями буферных систем организма (резервной щелочностью) и устойчивостью ферментов и других систем к изменениям рН в кислую сторону. Соотношение различных путей ресинтеза АТФ при мышечной работе определяется ее мощностью и продолжительностью. В кратковременных упражнениях высокой интенсивности ведущими механизмами энерго- обеспечения являются анаэробные процессы – креатинфосфатный и гликолиз. Увеличение продолжительности работы и соответствующее снижение ее интенсивности сопровождается повышением роли аэробных процессов и снижением удельного веса анаэробных. Уровень развития того или иного процесса энергообеспечения может быть определен измерением концентрации некоторых промежуточных или конечных продуктов процесса в мышцах. Аэробное окисление глюкозы примерно в 12 раз эффективнее анаэробного окисления, а поэтому и экономнее. Чтобы получить освобождение одного и того же количества энергии путем аэробного и анаэробного окисления, в первом случае должно окислиться в 12 раз меньше глюкозы, чем во втором.