Физиология мышечного сокращения

Двигательное нервное волокно, входя в мышцу, теряет миелиновую оболочку и разветвляется. Конечные веточки образуют нервные окончания в форме колечек или подковок, которые погружаются в углубления на поверхности мышечных волокон. Нервные окончания покрыты мембраной, называемой пресинаптической. В их аксоплазме находится большое количество (примерно 3 млн) пузырьков, содержащих ацетилхолин.

Участок мембраны мышцы, с которым контактирует нервное окончание, называется постсинаптической мембраной. Она образует многочисленные складки, благодаря чему ее поверхность увеличивается. Постсинаптическая мембрана содержит холинорецепторы и фермент холинэстеразу, способный разрушать ацетилхолин. Между мембранами нервного и мышечного волокна имеется щель в 20-50 нм, называемая синаптической щелью. Структурное образование, обеспечивающее передачу возбуждения с нерва на мышцу, называется нервно-мышечным синапсом. Он состоит из пресинаптической мембраны, синаптической щели и постсинаптической мембраны.

Нервные импульсы, приходящие по двигательным волокнам, производят деполяризацию мембраны нервного окончания, что вызывает разрушение оболочки пузырьков и поступление в синаптическую щель ацетилхолина. Молекулы ацетилхолина диффундируют к постсинаптической мембране мышечного волокна и связываются здесь холинорецепторами мембраны. Это приводит к увеличению проницаемости постсинаптической мембраны для ионов Na⁺ и К⁺. Положительно заряженные ионы устремляются через мембрану внутрь мышечного волокна, и на мембране возникает электроотрицательный постсинаптический потенциал. Создавшаяся разность потенциалов между постсинаптической мембраной и окружающей ее мембраной мышечного волокна рождает местный ток, возбуждающий мышечную мембрану: в ней возникает потенциал действия, распространяющийся по мышечному волокну.

Таким образом, в нервно-мышечном синапсе передача возбуждения происходит при помощи химического передатчика, или медиатора, каковым является ацетилхолин. Его роль заключается в увеличении проницаемости постсинаптической мышечной мембраны для ионов Na⁺ и К⁺. Выделившийся ацетилхолин разрушается ферментом холинэстеразой, и постсинаптическая мембрана снова приобретает свой исходный заряд – поляризуется.

Таким образом, в процессе передачи возбуждения в нервно-мышечном синапсе выделяют три последовательных процесса:

1. Электрический, включающий достижение нервным импульсом пресинаптической мембраны на концевой веточке аксона, деполяризацию и повышение проницаемости мембраны, выделение ацетилхолина в синаптическую щель;

2. Химический, основу которого составляет диффузия медиатора (ацетилхолина) к постсинаптической мембране и образование на ней его комплекса с холинорецептором;

3. Электрический, включающий увеличение ионной проницаемости постсинаптической мембраны, возникновение локального электрического потенциала (потенциала концевой пластинки) и, наконец, развитие потенциала действия мышечного волокна.

Возникающий в области нервно-мышечного синапса потенциал действия распространяется по системе поперечных трубочек саркоплазматического ретикулума вглубь волокна, вызывая деполяризацию мембран его цистерн и освобождение из них ионов кальция. Свободные ионы кальция в межфибриллярном пространстве запускают процесс сокращения.

В состоянии покояголовка миозина (поперечный мостик) не взаимодействует с нитями актина, так как белок тропомиозин, входящий в состав тонких нитей, препятствует этому. Под влиянием активирующих ионов кальция молекула белка тропонина (также входящего в состав актина) изменяет свою форму, что способствует выталкиванию тропомиозина в желобок между двумя нитями актина, освобождая тем самым участки для прикрепления миозиновых поперечных мостиков к актину. В результате поперечные мостики прикрепляются к актиновым нитям. Поскольку головки миозина совершают «гребковые» движения в сторону центра саркомера, происходит «втягивание» актиновых нитей в промежутки между миозиновыми нитями и укорочение клетки, а, следовательно, и мышцы в целом (теория скользящих нитей).

В цитоплазме клеток концентрация ионов кальция составляет всего 50-100 нМ (5·10^-8-1·10^{-7 М), тогда как в окружающей клетки среде она равна примерно 3 мМ (3·10-3 М). Поддерживает эту разницу в концентрации (на четыре порядка величины – в 10 000 раз!) система активного транспорта ионов кальция, главную роль в которой играет кальциевый «насос» – фермент кальциевая АТФаза, сокращенно Са-АТФаза. Точнее говоря, не один фермент, а группа кальциевых АТФаз, различающихся по локализации в клетке, строению и способу регуляции.}

Но все эти ферменты переносят ионы кальция из клеточного сока во внеклеточную жидкость или во внутриклеточные депо кальция – пузырьки эндоплазматического ретикулума за счет энергии гидролиза АТФ, поддерживая тем самым низкую концентрацию ионов кальция в цитоплазме.

Поддержание низкой концентрации ионов кальция в цитоплазме покоящихся клеток создает возможность регуляции клеточных функций путем увеличения проницаемости клеточных мембран для Ca²⁺: входя в клетку, эти ионы активируют великое множество различных внутриклеточных процессов. Яркий пример – сокращение мышцы, которое начинается с выхода ионов кальция из саркоплазматического ретикулума и его взаимодействия с сократительными белками.

Под действием электрического импульса, распространяющегося по плазмалемме, ионы кальция выходят из везикул саркоплазматического ретикулума (СПР) и вызывают сокращение. Удаление кальция саркоплазматическим ретикулумом приводит к расслаблению мышцы. Последующее удаление Ca²⁺ из цитоплазмы и накопление его в емкостях эндоплазматического ретикулума осуществляется Са-АТФазой и приводит к расслаблению мышцы (рис.6).

Pис. 6. Ионы кальция как регуляторы цикла сокращение-расслабление в поперечнополосатых мышцах:

ТЦ – терминальные цистерны саркоплазматического ретикулума (СР), ЛТ – продольные (латеральные) трубочки, ВС – внутренний синапс, ТТ – Т-система, Ц – цитоплазматическая мембрана (плазмалемма), A – миозиновые нити, I – актин, Z – Z-пластинка, М – М-полоса.

В других клетках ионы кальция, входя пассивно через открывающиеся каналы, связанные с различными рецепторами, также играют роль посланников, дающих приказы включить ту или иную внутриклеточную систему. После исполнения приказа «посланников» надо выпроводить из цитоплазмы, что и делают Са-АТФазы, а также Na⁺-Ca²⁺ обменники. При гидролизе одной молекулы АТФ Са-АТФаза переносит 2 иона кальция из окружающей среды внутрь везикул.

Источником энергии для сокращения мышечных волокон служит аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Инактивация тропонина ионами кальция активирует каталитические центры для расщепления АТФ на головках миозина. Фермент миозин-АТФ-аза гидролизирует АТФ, расположенный на головке миозина, что обеспечивает энергией поперечные мостики. Освобождающиеся при гидролизе АТФ молекула АТФ и неорганический фосфат используются для последующего ресинтеза АТФ. На поперечном мостике образуется новая молекула АТФ. При этом происходит разъединение поперечного мостика с актиновой нитью, которая уже продвинулась по направлению к центру саркомера. Повторное прикрепление и отсоединение мостиков продолжается до тех пор, пока концентрация кальция внутри миофибрилл не снижается до подпороговой величины, при этом мышечные клетки начинают расслабляться. Возврат ионов кальция в цистерны саркоплазматического ретикулума с помощью Са-насосов происходит при использовании энергии АТФ. Только ритмическое прикрепление и отсоединение поперечных мостиков может втянуть нити актина вдоль миозиновых и совершить необходимое укорочение мышечной клетки. Напряжение, развиваемое клеткой, зависит от числа одновременно замкнутых клеток, а скорость развития напряжения – от частоты замыкания поперечных мостиков, образуемых в единицу времени.