Электромеханическое сопряжение

Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине клетки (электромеханическое сопряжение) включает в себя несколько последовательных процессов (табл. 4.3), ключевую роль в которых играют ионы Са²⁺ [2а].

Локализация и механизм действия Са^{2 +}. Инъекция Са²⁺ в мышечные волокна вызывает их сокращение. Интактные живые волокна гораздо меньше подходят для демонстрации прямого воздействия Са²⁺ на миофибриллы, чем те же волокна после удаления или разрушения поверхностной клеточной мембраны. Для этого их либо «обдирают» («скинируют») механически, либо обрабатывают детергентами, либо используют упоминавшееся выше экстрагирование глицеролом. Такие лишенные сарколеммы («скинированные») мышечные волокна сокращаются только при погружении в раствор, содержащий АТФ и по крайней мере 10 ⁻⁶ Μ ионизированного кальция для активации АТФазы. В этих условиях поперечные мостики миозиновых нитей могут за счет постоянного расщепления АТФ циклически взаимодействовать с актиновыми нитями. Если активирующий фактор Са²⁺ удалить из среды (например, добавив связывающие его вещества), миофибриллы расслабляются,поскольку взаимодействие между поперечными мостиками и актином предотвращается, а значит, подавляется активность АТФазы (см. табл. 4.2). Такой эффект полностью обратим и в опытах с лишенными сарколеммы волокнами. На ступенчатое повышение концентрации Са²⁺ от 10 ⁻⁷ до 10"^s M они реагируют постепенным увеличением силы сокращения и активности АТФазы, причем оба этих параметра достигают максимума при концентрации Са²⁺ 10⁻⁶-10⁻⁵ M.

Механизм активации ионами кальция мышечного волокна легче понять, рассмотрев структуру актиновых нитей (рис. 4.4). Каждый такой филамент длиной около 1 мкм и толщиной 5-7 нм состоит из двух закрученных одна вокруг другой цепочек мономеров актина толщиной 5 нм. Похожая структура получится, если взять две нити бус и скрутить их

 

Таблица 4.2.Влияние АТФ на сократительные структуры мышечных волокон и на взаимодействие актин-миозин
АТФ:	отсутствует	присутствует, но не расщепляется	присутствует, расщепляется АТФазой
Состояние мышечного волокна	Ригидность	Расслабление	Сокращение
Поперечные мостики миозина	Прикреплены к актину	Отделены от актина	Чередование прикреплений и отделений
АТФаза	-	Ингибирована 1)	Активна 2)
1) При концентрации Ca2 + < 10−7 М. 2) При концентрации Ca2 примерно 10−6-10−5 М.

74 ЧАСТЬ II. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Таблица 4.3.Этапы генерирования сокращения

1. Стимуляция мышечного волокна 2. Потенциал действия (возбуждение мембраны) 3. Электромеханическое сопряжение а. Проведение возбуждения по Т-системе б. Высвобождение Са2+ из продольной системы (рис. 4.5) в. Действие Са2+ на миофибриллы (рис. 4.4) 4. Сокращение миофибрилл: циклическая активность поперечных мостиков

Рис.4.4. Действие Са2+ во время активации миофибриллы. А. Актиновая и миозиновая нити на продольном свчении волокна. Б. Они же на его поперечном сечении. Когда Са2+ связывается с тропонином, тропомиозин попадает в желобок между двумя мономерами актина, обнажая участки прикрепления поперечных мостиков (по [13] с изменениями)

в виде спирали по 14 бусин в каждом витке (рис. 4.4, А). Через регулярные промежутки примерно по 40 нм актиновые цепочки несут сферические молекулы тропонина, а в желобках между двумя цепочками лежат нити тропомиозина. Исследования с помощью рентгеноструктурного анализа (малоугловое рентгеновское рассеяние) [13] показали, что в отсутствие Са^{2 +}, т.е. при расслабленном состоянии миофибрилл, длинные молекулы тропомиозина располагаются так, что блокируют прикрепление поперечных миозиновых мостиков к актиновым нитям. И напротив, под влиянием Са^{2 +} молекулы тропомиозина глубже опускаются в желобки между цепочками мономеров актина, открывая участки прикрепления для поперечных мостиков. В результате те прикрепляются к актиновым нитям (рис. 4.4, Б), расщепляется АТФ и развивается мышечная сила.

Такой механизм активации обусловлен действием Са²⁺ на тропонин, который работает как «кальциевый переключатель»: при связывании с Са²⁺ его молекула деформируется таким образом, что как бы заталкивает тропомиозин в желобок между двумя цепочками актиновых мономеров, т. е. в «активированное положение».

Хранение и высвобождение иоиов кальция. Расслабленная мышца содержит более 1 мкмоль Са^{2 +} на 1 г сырой массы. Если бы соли кальция не были изолированы в особых внутриклеточных хранилищах, обогащенные его ионами мышечные волокна находились бы в состоянии непрерывного сокращения.

Структура внутриклеточных систем хранения кальция в разных мышцах не вполне одинакова (скелетная мышца человека - рис. 4.1; мышца лягушки - рис. 4.5). Во многих участках поверхностная мембрана мышечной клетки образует углубления в виде трубочек (диаметром 50 нм), перпендикулярных продольной оси волокна; эта система поперечных трубочек соединяется с внеклеточной средой и обычно окружает каждую миофибриллу на уровне Z-пластинок (у лягушки) или в области I-дисков (у высших позвоночных).

Перпендикулярно поперечным трубочкам, т.е. параллельно миофибриллам, расположена система продольных трубочек (истинный саркоплазматический ретикулум). Пузырьки на их концах (терминальные цистерны) прилегают к мембранам системы поперечных трубочек, образуя так называемые триады. В этих пузырьках и хранится внутриклеточный кальций. В отличие от поперечной системы продольная не сообщается с внеклеточной средой. Мембраны саркоплазматического ретикулума содержат работающий на энергии АТФ кальциевый насос, который осуществляет активный транспорт Ca^{2 +} из миоплазмы в продольные трубочки, снижая таким образом примерно до 10^-7 Μ миоплазматическую концентрацию этих ионов в покоящейся (расслабленной) мышце.

Электромеханическое сопряжение происходит посредством распространения потенциала действия по мембранам поперечной системы внутрь клетки. При этом возбуждение быстро проникает в глубь волокна, переходит на продольную систему и в конечном счете вызывает высвобождение Са²⁺ из терминальных цистерн во внутриклеточную жидкость, окружающую миофибриллы, что и ведет к сокращению (рис. 4.5).

При одиночном импульсе сокращение кратковременно (рис. 4.8); расслабление мышцы вызывается обратным переносом активирующих ионов Са^{2 +} посредством кальциевого насоса в каналы саркоплазматического ретикулума [8]. Удаление ионов Са²⁺ из миоплазмы идет до тех пор, пока их концентрация в ней не упадет до примерно 10 ⁻⁷ М. При этом подавляются активность АТФазы миозина и взаимодействие между актином и поперечными мостиками, которые отделяются от актиновых нитей (см. табл. 4.2).

Распространение возбуждения вглубь волокна.

Этот процесс, как показали Хаксли и Тейлор [9],