Электромеханическое скольжение

Ранее мы выяснили, как передается электрическое возбужде­ние с нервного волокна на мышцу. Теперь, после того как подроб­но разобрали работу сократительного аппарата мышцы, объеди­ним эти процессы, добавив необходимые звенья. Итак, появление потенциала действия на окончаниях аксона вызывает освобожде­ние медиатора — ацетилхолина. В концевой пластинке мышечной мембраны это приводит к открытию ионных каналов, через кото­рые течет ток, деполяризующий мембрану в области синапса. Да­лее локальные ветви тока вызывают генерацию по закону «все или ничего» потенциала действия в поверхностной мембране мышеч­ного волокна. Потенциал действия распространяется в обе сторо­ны от концевой пластинки, захватывая всю мембрану мышечного волокна. Мышечное сокращение, вызванное генерацией потенци­ала действия, также происходит по закону «все или ничего».

Вместе с тем более детальные опыты по изучению влияния де­поляризации на усилие, развиваемое мышцей во время сокраще­ния, показали, что оно градуально (постепенно) изменяется в за­висимости от амплитуды деполяризации (рис. 2.26). Деполяриза­цию мышечной мембраны вызывали, повышая во внешней среде концентрацию ионов калия с одновременным уменьшением на такую же величину ионов натрия. Возможность вызвать деполяри­зацию мышечной мембраны таким образом мы обсуждали в разде­ле при выводе уравнения Нернста. В этих условиях генерация по­тенциала действия, т. е. неконтролируемого изменения мембран­ного потенциала, исключалась. Оказалось, что в ответ на воздей-

6 — 3389

!

ствия растворов с повышенной концентрацией ионов калия мы­шечные волокна реагируют кратковременным сокращением. Во время деполяризации усилия мышцы начинают расти при мемб­ранном потенциале —60 мВ (механический порог) (см. рис. 2.26). Отметим, что потенциал покоя мышечного волокна составляет —90 мВ. Дальнейшая деполяризация ведет к увеличению мы­шечного усилия, достигающего своего максимального значения при мембранном потенциале около —25 мВ. Интересно сравнить эти данные с изменением мембранного потенциала мышечного волокна при генерации потенциала действия. Известно, что во время генерации потенциала действия мембранный потенциал изменяется от уровня —90 мВ (потенциал покоя) до +50 мВ (максимальная амплитуда потенциала действия); общая ампли­туда потенциала действия 140 мВ. Таким образом, потенциал действия превышает на 75 мВ [50 мВ — (—25 мВ)] величину де­поляризации, необходимую для развития максимального уси­лия. На основании этих данных можно сделать важный вывод, что укорочение (сокращение) мышцы по своей природе являет­ся градуальным процессом, но в силу того что генерация потен­циала действия мышечного волокна происходит по закону «все или ничего», то и сокращение мышечного волокна подчиняется этому закону. Мембранный потенциал в нормальных условиях во время генерации потенциала действия всегда превышает уро­вень деполяризации, обеспечивающий максимальное сокращение мышечного волокна.

Необходимым условием для передвижения актиновой нити вдоль миозиновой является наличие ионов кальция. Действитель­но, генерация потенциала действия сопровождается увеличением концентрации ионов кальция во внутриклеточном пространстве мышечного волокна. Это очень наглядно демонстрируют опыты с белком светящихся медуз — экворином, реагирующим на повы­шение концентрации ионов кальция свечением. Если экворин ввести внутрь мышечного волокна, то во время сокращения реги­стрируется вспышка свечения. Возникает вопрос: откуда могут по­ступать ионы кальция в цитоплазму (миоплазму) мышечного во­локна? Одним из возможных путей может быть поступление ионов

кальция из внешней среды через наружную мембрану к миофиб-риллам во время генерации потенциала действия, поскольку име­ются данные, что во время возникновения потенциала концевой пластинки и потенциала действия в небольшой степени увеличи­вается проницаемость мембраны для ионов кальция. Однако рас­четы показали, что скорость диффузии ионов или молекул от поверхности мембраны к центру мышечного волокна радиусом 25...50 мкм в несколько десятков раз ниже той скорости, которая должна быть, судя по разнице во времени (2 мс) между появлением потенциала действия и активацией мышечных фибрилл. Однако основной источник ионов кальция находится внутри мышечного волокна, рядом с миофибриллами. Таким внутриклеточным депо оказался саркоплазматический ретикулум. В связи с этим возни­кает вопрос о механизмах освобождения ионов кальция из сар-коплазматического ретикулума во время генерации потенциала действия и сокращения мышечного волокна.

Строение и размеры поперечнополосатых мышечных волокон ис­ключают выход ионов кальция из каких-либо внутриклеточных структур, и в том числе из саркоплазматического ретикулума, непо­средственно под действием потенциала действия. Прямое физичес­кое воздействие разности потенциалов через поверхностную мембра­ну способно распространяться максимально на доли миллимикрона в глубь мышечного волокна. Тем не менее потенциал действия все же проникает в глубь мышечного волокна и вызывает освобождение ионов кальция из саркоплазматического ретикулума благодаря сис­теме Г-трубочек. Оказалось, что Г-трубочки способны возбуждаться потенциалом действия, возникающим в поверхностной мембране мышечного волокна, и генерировать свой потенциал действия, ко­торый распространяется внутрь мышечного волокна. Ранее говори­лось (см. рис. 2.23), что Г-трубочки сжаты концевыми цистернами саркоплазматического ретикулума. При деполяризации мембраны Г-трубочек, находящихся в области концевых цистерн саркоплазма­тического ретикулума, сигнал доставляется к его мембране с помо­щью посредника, который освобождается из мембраны Г-трубочек. Этот химический посредник (инозитол-1, 4, 5-трифосфат) вызывает открытие кальциевых каналов в мембране саркоплазматического ретикулума и освобождение запасенных там ионов кальция. Кон­центрация свободных ионов кальция в миоплазме увеличивается в 10 раз. Кальций, соединяясь с тропонином, вызывает в молекуле этого белка конформационные изменения, в результате чего устра­няются препятствия для присоединения поперечных мостиков к актиновым филаментам и перемещения нити актина на один шаг. Затем происходит ферментативное разрушение посредника и каль­циевые каналы закрываются. Далее с помощью активного транспор­та (Са²⁺-насоса) вышедшие из саркоплазматического ретикулума ионы кальция возвращаются на прежнее место. Энергия для работы Са²⁺-насоса обеспечивается распадом АТФ.

г>*

Решающая роль Г-трубочек в процессе сопряжения актива­ции саркомеров с деполяризацией поверхностной мембраны была продемонстрирована в опытах с отрывом Г-трубочек от поверх­ностной мембраны при осмотическом шоке, который создавался введением 50%-ного глицерина. Как только трубочки отделялись от поверхности мембраны, сократительная реакция мышцы исче­зала. При этом потенциал действия в Г-трубочках также исчезал, в то время как потенциал действия в наружной мембране мышечно­го волокна полностью сохранялся.

МЕХАНИКА МЫШЦЫ

Многие механические характеристики сокращающейся мышцы были изучены в первой половине XX в., до того как стала понятна сущность самого процесса сокращения на субклеточном уровне. Рассмотрим эти ставшие классическими данные с точки зрения современных знаний о лежащих в их основе механизмах.

Сокращение мышцы может происходить в двух режимах: изо­тоническом и изометрическом. В изотоническом режиме мышца укорачивается при неизменном внутреннем напряжении, что, на­пример, бывает при небольшой величине поднимаемого груза или сокращении мышцы без груза. В этом случае сокращение оцени­вают в единицах длины. При изометрическом режиме длина мыш­цы не меняется, а развивается внутреннее напряжение, что бывает при нагрузке мышцы неподъемным грузом. Хотя в этом режиме заметного внешнего укорочения нет, небольшое внутреннее уко­рочение все-таки происходит. Оно появляется за счет растягива­ния внутри- и внеклеточных упругих компонентов, таких, как тонкие тяжи поперечных мостиков и соединительной ткани, рас­полагающихся последовательно с мышечными волокнами. Сокра­щение при изометрическом режиме оценивают в единицах силы. Необходимо указать на одно чрезвычайно важное положение о распределении напряжения в мышце. Его смысл состоит в том, что при данной нагрузке напряжение в любом элементе линейно­го ряда (например, в одном звене цепи) равно напряжению, раз­виваемому в каждом из остальных элементов этого ряда. Это по­ложение справедливо как для активного напряжения, вызываемо­го сокращением, так и для пассивного напряжения, обусловлен­ного натяжением мышцы под действием внешнего груза.

Скорость, с которой мышца укорачивается при данной нагруз­ке, линейно зависит от числа последовательных саркомеров в мышце. Допуская, что все саркомеры одного мышечного волокна укорачиваются в единицу времени на одну и ту же величину, об­щее уменьшение длины за определенное время будет пропор­ционально числу последовательно соединенных саркомеров. Отсюда следует, что противоположные концы длинной мышцы

сближаются с большей скоростью, чем короткой. Соответственно из двух мышц одинаковой длины сокращение будет происходить быстрее у той мышцы, у которой более короткие саркомеры. При этом скорость скольжения между филаментами будет одинаковой в обеих мышцах. Вместе с тем максимальная скорость сокращения и максимально развиваемая сила мышцы будут находиться в об­ратной зависимости от длины саркомера. Так, у мышцы с длин­ными саркомерами (т. е. большее перекрывание филаментов) бу­дут развиваться большая сила и низкая предельная скорость уко­рочения, и наоборот, в мышце с короткими саркомерами сила бу­дет меньше, но скорость больше. Величина усилия, развиваемого при сокращениях, ограничена числом миофибрилл, а точнее — числом миозиновых и актиновых филаментов, работающих парал­лельно. Поэтому толстая мышца способна поднять больший груз, чем тонкая, независимо от длины.

Известно, что по мере увеличения нагрузки на мышцу удлиня­ется время (латентный период), которое мышца затрачивает на от­рыв груза от поверхности опоры. Причина заключается в том, что мышце необходимо время, для того чтобы поперечные мостики, активируясь, развили усилие. Чем больше груз, тем продолжи­тельнее время, требуемое на растяжение эластических компонен­тов и создание необходимого усилия (рис. 2.27). С активацией по­перечных мостиков связана и зависимость скорости укорочения мышцы от нагрузки. Скорость укорочения падает по мере увели­чения силы, которую должна развить мышца для поднятия груза (см. рис. 2.27). Это обусловлено склонностью актиновых фила­ментов «пробуксовывать» под влиянием силы, возникающей при активации поперечных мостиков.

В функциональном отношении мышцу можно представить как сократительный компонент, соединенный параллельно с первым эластическим компонентом (сарколемма, соединитель­ная ткань и т.д.) и последовательно со вторым эластическим компонентом (рис. 2.28). В последовательно включенный компо-

 

 

Тетанус при высокой частоте раздражений

Тетанус при низ­кой частоте раздражений

Рис. 2.28. Механизмы сокращения мышцы:

Сократи­тельный \, элемент Параллель­ный эласти­ческий элемент Последова­тельный эластический элемент

А — начало сокращения. Мышца представ­лена как сократительный элемент, соеди­ненный последовательно и параллельно с эластическим элементом; Б — напряжение в мышце нарастает по мере растягивания по­следовательно расположенных эластических элементов; до определенного момента дли­на мышцы неизменна; В — при равенстве механического напряжения в мышце и мас­сы груза последний падает и длина мышцы уменьшается (сокращение)

Время

нент входят сухожилия, соеди­нительная ткань, прикреплен­ная к сухожилиям. Согласно за­кону Гука длина объекта с иде­альной эластичностью увеличи­вается пропорционально прило­женной к нему силе. На схеме эластические элементы представлены в виде пружин. Укорочение или напряжение мышцы достигает своего максимума в течение 10...500 мс и зависит от типа мышцы, температуры и величины внешней нагрузки. Напомним, что при возбуждении и выходе ионов кальция из саркоплазматического ретикулума поперечные мостики сначала прикрепляются к актиновым нитям, а затем на­чинается процесс активного скольжения. Причем согласно строе­нию мышцы активное скольжение сначала должно вызвать рас­тяжение последовательного эластического элемента, прежде чем начнет развиваться укорочение всей мышцы (см. рис. 2.28).

В зависимости от частоты раздражения у мышц различают два вида сокращений: одиночное и тетаническое. Одиночное сокраще­ние возникает при возбуждении мышечных волокон одним потен­циалом действия. Во время одиночного сокращения прикрепле­ние миозиновых мостиков к актиновым филаментам быстро уст­раняется вследствие того, что ионы кальция возвращаются в сар-коплазматический ретикулум. При этом филаменты не успевают втянуться друг в друга достаточно глубоко, чтобы растянуть ткани, входящие в последовательный эластический компонент, развив в мышце полное напряжение (рис. 2.29). Поэтому напряжение, на которое способна сократительная система, не может реализовать­ся в одиночном мышечном сокращении. В то же время если вто­рой потенциал действия последует за первым прежде, чем в сар-коплазматический ретикулум возвратятся ионы кальция, активное состояние сократительных компонентов будет продлено. При ге­нерации от трех-четырех потенциалов действия состояние изо­метрического напряжения мышцы продолжает нарастать до тех пор, пока напряжение, вызванное внутренним укорочением со-

Время

Рис. 2.29. Одиночное и тетаническое сокра­щения мышцы

кратительных компонентов, не станет достаточным, чтобы вызвать «пробуксовку» поперечных мостиков, препятствующих дальнейше­му внутреннему укорочению. Такое сокращение мышцы называет­ся тетаническим. В зависимости от частоты следования мышечных потенциалов действия возникают разные степени слияния одиноч­ных сокращений и тетанического напряжения (см. рис. 2.29).

Источником энергии для сократительного процесса служит АТФ, что видно из выражения

АТФ <^ АДФ + Р + Свободная энергия.

Однако концентрация АТФ в мышце довольно низкая, поэтому при длительном сокращении мышцы АТФ должно хватить нена­долго. В то же время АТФ быстро регенерирует за счет фосфори-лирования АДФ, при этом высокоэнергетическая фосфатная груп­па поставляется за счет ферментативного расщепления богатого фосфором соединения — креатинфосфата. Этот процесс катализи­рует фермент креатинфосфокиназа:

Креатинфосфат + АДФ «=* Креатин + АТФ.

Данная реакция протекает достаточно энергично, поставляя АТФ для физической нагрузки.

Сокращение мышц сопровождается потерей энергии в форме теплоты. Коэффициент полезного действия (КПД) мышцы как своебразной механической машины вычисляется по формуле

кпд = и/гл + а)]Ю0%,

где А — механическая работа; й —тепловой выход мышцы, который включает в себя теплообразование, связанное с электрическим возбуждением и механической активацией мышцы, а также теплоту сокращения, пропорциональную величине укорочения мышцы.

Энергия, освобождающаяся в виде теплоты, приблизительно в 5 раз превышает энергию, затраченную на выполнение механи­ческой работы. Обычно КПД мышцы не превышает 20...30 %. Од­нако здесь важно отметить, что мышца — не только механическая машина, но и основной обогреватель организма, поэтому тепло­вой выход небесполезен.

1 моль АТФ при распаде высвобождает 48 кДж энергии, и для ресинтеза 1 моль АТФ в организме животного необходимо 3 моль кислорода. В условиях интенсивной мышечной работы запасов кислорода не хватает для быстрого ресинтеза АТФ. В итоге в организме накапливается много недоокисленных продуктов (молоч­ной кислоты и др.). Создается так называемая кислородная задол­женность, погашаемая после работы за счет автоматического уси­ления дыхания и кровообращения. Если же работа, несмотря на наличие кислородного долга, продолжается, то наступает утомле­ние мышцы. В нормальных условиях утомление животного раз­вивается прежде всего как отказ работы структур ЦНС. Децент­рализованные мышцы (т. е. при перерезке нерва) при раздраже­нии работают дольше, однако в конечном счете также утомляют­ся. Скорость утомления у мышц разная в зависимости от типа энергетического обеспечения мышц.