Молекулярный механизм мышечного сокращения

Как показали Хаксли и Хансон, во время мышечного сокращения молекулы актина и миозина не изменяют своей длины. Они лишь перемещаются друг вдоль друга, в результате чего длина отдельных миофибрилл и мышцы в целом уменьшается (теория″скользящих нитей″). Сокращению мышцы предшествует ряд событий, происходящих в её мышечных волокнах и запускающих процесс сокращения.

1. Мышечное волокно активируется импульсами, приходящими по нервному волокну.

2. При возбуждении мышечного волокна в его плазматической мембране возникает потенциал действия.

3. Потенциал действия деполяризует мембрану мышцы и перемещается вдоль неё так же, как потенциал действия перемещается вдоль мембраны нервного волокна.

4. Деполяризация мембраны перемещается вглубь мышечного волокна по канальцам Т-системы и саркоплазматического ретикулума. Это вызывает высвобождение из саркоплазматического ретикулума через потенциал-зависимые кальциевые каналы большого количества ионов кальция в саркоплазму.

5. Ионы кальция инициируют взаимодействие между актиновыми и миозиновыми филаментами, заставляя их скользить друг относительно друга, что и вызывает процесс сокращения мышцы.

6. Через короткое время ионы кальция откачиваются из саркоплазмы в саркоплазматический ретикулум путём активного транспорта (работы кальциевого насоса). Удаление ионов кальция из саркоплазмы приводит к прекращению сокращения.

В состоянии покоя актиновые филаменты каждого саркомера, прикрепленные концами к Z-пластинкам, немного перекрывают лежащие смежно миозиновые филаменты. При сокращении мышечного волокна актиновые филаменты подтягиваются в промежутки между миозиновыми филаментами так, что начинают перекрывать их практически на всем протяжении саркомера. Z-мембраны подтягиваются актиновыми филаментами к концам миозиновых филаментов. Таким образом, сокращение мышцы осуществляется по механизму ″скользящих нитей″(рис. 2). В результате длина каждого саркомера и мышцы в целом уменьшается.

Скольжение актиновых филаментов вызывается механическими силами, возникающими при взаимодействии поперечных мостиков миозиновых филаментов с молекулами актина (рис. 3). В состоянии покоя эти силы отсутствуют, но появляются при поступлении в саркоплазму ионов кальция во время возбуждения мышечного волокна. Кроме того, для процесса сокращения необходима энергия, которая высвобождается при гидролизе АТФ с помощью ферментов.

Молекулярная структура миозиновых и актиновых филаментов в настоящее время детально изучена. Миозиновый филамент состоит из молекул миозина (белок с М=500000). Каждая из этих молекул сформирована шестью полипептидными цепями: двумя тяжёлыми и четырьмя легкими. Две тяжёлые цепи свернуты вокруг друг друга, формируя двойную спираль. Один конец каждой из тяжёлых цепей свернут в грушевидную глобулярную структуру, называемую головкой миозина. Их составными частями являются также четыре легкие цепи миозина. Головки миозина способны в присутствие актина катализировать реакцию гидролиза АТФ. Удлиненная часть спирали называется хвостом. Часть спирали каждой молекулы миозина вместе с головкой формирует поперечный мостик(рис. 3).

 

 

Рис. 2. Положение актиновых и миозиновых филаментов в расслабленной миофибрилле (А) и в ходе её последовательного сокращения (Б-Г)

 

 

Рис. 3. Молекула миозина (А); комбинация множества миозиновых молекул, формирующих миозиновый филамент (Б)

Двести или более молекул миозина, связанные вместе, формируют структуру миозинового филамента, причем хвосты миозиновых молекул направлены к середине саркомера, а головки ориентированы так, что могут способствовать движению актиновых нитей, соединенных с последовательными Z-пластинками, в противоположных направлениях.

Более тонкие актиновые филаменты также имеют сложное строение. Они сформированы из трёх белковых компонентов: актина (белок с М=42000) и двух кальций-чувствительных регуляторных белков: тропомиозина и тропонина. В каждом актиновом филаменте две молекулы актина свернуты, формируя спираль (так же как молекулы миозина в миозиновом филаменте). На поверхности спирали расположены активные центры – участки, к которым могут прикрепляться поперечные мостики молекул миозина при сокращении мышцы.

Молекулы тропомиозина расположены в желобке, образованном спирально закрученными молекулами актина (рис. 4а) и в состоянии покоя прикрывают активные центры актиновых молекул, предотвращая взаимодействие между ними и поперечными мостиками миозина.

Молекулы тропонина прилегают к поверхности молекул тропомиозина и имеют большое сродство к ионам кальция. При взаимодействии тропонина с ионами кальция его молекула изменяет свою конформацию так, что как бы заталкивает тропомиозин глубже в желобок между двумя актиновыми молекулами. При этом открываются активные центры актиновых филаментов, и происходит прикрепление к ним поперечных мостиков миозина, что приводит к сокращению мышцы (рис. 4б).