Строение и химический состав мышц. Молекулярные механизмы мышечного сокращения и расслабления

Учение о мышцах - очень важный и интересный раздел биохимии. Исключительное значение этот раздел имеет для спортивной биохи­мии.

Важнейшей особенностью функционирования мышц является то, что в процессе мышечного сокращения происходит преобразование химической энергии АТФ непосредственно в механическую энергию сокращения и движения. Это явление свойственно только живым орга­низмам. Изучение механизма мышечной деятельности является про­блемой не только биохимической. Достижения последних лет в этой области связаны с интеграцией биохимических, биофизических и элек­тронно-микроскопических исследований строения и функционирова­ния мышц.

В настоящее время мышца рассматривается как высокоэффектив­ная, универсальная машина, значительно превосходящая по техниче­ским характеристикам все машины, созданные человеком.

У животных и человека имеются два основных типа мышц: попе­речно-полосатые и гладкие. Поперечно-полосатые мышцы прикреп­ляются к костям, т. е. к скелету, и поэтому еще называются скелетны­ми. Поперечно-полосатые мышечные волокна составляют также основу сердечной мышцы — миокарда, хотя имеются определенные различия в строении миокарда и скелетных мышц. Гладкие мышцы образуют мус­кулатуру стенок кровеносных сосудов, кишечника, пронизывают ткани внутренних органов и кожу.

Каждая поперечно-полосатая мышца состоит из нескольких тысяч волокон, объединенных соединительнотканными прослойками и такой

_же оболочкой - фасцией. Мышечные волокна (миоциты) представляют собою сильно вытянутые многоядерные клетки крупного размера дли­ной от 0,1 до 2-3 см, а в некоторых мышцах даже более 10 см. Толщина мышечных клеток около 0,1-0,2 мм.

Как и любая клетка, миоцит содержит такие обязательные органои­ды, как ядра, митохондрии, рибосомы, цитоплазматическую сеть и кле­точную оболочку. Особенностью миоцитов, отличающих их от других клеток, является наличие сократительных элементов - миофибрилл.

Ядра окружены оболочкой - нуклеолеммой и состоят в основном из нуклеопротеидов. В ядре содержится генетическая информация для синтеза белков.

Рибосомы - внутриклеточные образования, являющиеся по хими­ческому составу нуклеопротеидами. На рибосомах происходит синтез белков.

Митохондрии - микроскопические пузырьки размером до 2-3 мкм, окруженные двойной мембраной. В митохондриях протекает окисление углеводов, жиров и аминокислот до углекислого газа и воды с исполь­зованием молекулярного кислорода (кислорода воздуха). За счет энер­гии, выделяющейся при окислении, в митохондриях осуществляется синтез АТФ. В тренированных мышцах митохондрии многочисленны и располагаются вдоль миофибрилл.

Лизосомы - микроскопические пузырьки, содержащие гидролити­ческие ферменты, расщепляющие белки, нуклеиновые кислоты и неко­торые полисахариды.

Цитоплазматическая сеть (саркоплазматическая сеть, саркоплаз- матический ретикулум) состоит из трубочек, канальцев и пузырьков, образованных мембранами и соединенных друг с другом. Саркоплаз­матическая сеть с помощью особых трубочек, называемых Т-системой, связана с оболочкой мышечной клетки - сарколеммой. Особо следует выделить в саркоплазматической сети пузырьки, называемые цистер­нами и содержащие в большой концентрации ионы кальция. В цистер­нах содержание ионов Са²⁺ примерно в тысячу раз выше, чем в цитозо- ле. Такой высокий градиент концентрации ионов кальция возникает вследствие функционирования фермента - кальциевой аденозинтри- фосфатазы (кальциевая АТФаза), встроенного в стенку цистерны. Этот фермент катализирует гидролиз АТФ и за счет выделяющейся при этом энергии обеспечивает перенос ионов кальция вовнутрь цистерн. Такой Механизм транспорта ионов кальция образно называется кальциевым насосом, или кальциевой помпой.

Цитоплазма (цитозоль, саркоплазма) занимает внутреннее про­странство миоцитов и представляет собой коллоидный раствор, содер­жащий белки, гликоген, жировые капли и другие включения.

На долю белков саркоплазмы приходится 25-30% от всех белков мышц. Среди саркогшазматических белков имеются активные фермен­ты. К ним в первую очередь следует отнести ферменты гликолиза, расщепляющие гликоген или глюкозу до пировиноградной или молоч­ной кислоты. Еще один важный фермент саркоплазмы - креатинкина- за, участвующий в энергообеспечении мышечной работы. Особого внимания заслуживает белок саркоплазмы миоглобин, который по строению идентичен одной из субъединиц белка крови - гемоглобина. Состоит миоглобин из одного полипептида и одного гема. Молекуляр­ная масса миоглобина - 17 кДа. Функция миоглобина заключается в связывании молекулярного кислорода. Благодаря этому белку в мы­шечной ткани создается определенный запас кислорода. В последние годы установлена еще одна функция миоглобина - это перенос 0₂ от сарколеммы к мышечным митохондриям.

Кроме белков в саркоплазме имеются небелковые азотсодержащие ве­щества. Их называют, в отличие от белков, экстрактивными веществами, так как они легко экстрагируются водой. Среди них - аденидовые нуклео­тиды АТФ, АДФ, АМФ и другие нуклеотиды, причем преобладает АТФ. Концентрация АТФ в покое примерно 4-5 ммоль/кг. К экстрактивным ве­ществам также относятся креатинфосфат, его предшественник - креатин - и продукт необратимого распада креатинфосфата - креатинин. В покое концентрация креатинфосфата обычно 15-25 ммоль/кг. Из аминокислот в большом количестве имеются глутаминовая кислота и глутамин.

Основной углевод мышечной ткани - гликоген. Концентрация гли­когена колеблется в пределах 0,2-3%. Свободная глюкоза в сарко­плазме содержится в очень малой концентрации - имеются лишь ее следы. В процессе мышечной работы в саркоплазме происходит накоп­ление продуктов углеводного обмена - лактата и пирувата.

Протоплазматический жир связан с белками и имеется в концен­трации 1%. Запасной жир накапливается в мышцах, тренируемых на выносливость.

Каждое мышечное волокно окружено клеточной оболочкой - сарколеммой. Сарколемма представляет собою липопротеидную мембрану толщиной около 10 нм. Снаружи сарколемма окружена сетью из переплетенных нитей белка коллагена. При мышечном со­кращении в коллагеновой оболочке возникают упругие силы, за счет которых при расслаблении мышечное волокно растягивается и воз­вращается в исходное состояние. К сарколемме подходят окончания двигательных нервов. Место контакта нервного окончания с сарко­леммой называется нервно-мышечный синапс, или концевая нервная пластинка.

Сократительные элементы - миофибриллы - занимают боль­шую часть объема мышечных клеток, их диаметр около 1 мкм. В не­тренированных мышцах миофибриллы расположены рассеянно, а в тренированных они сгруппированы в пучки, называемые полями Конгейма.

Микроскопическое изучение строения миофибрилл показало, что они состоят из чередующихся светлых и темных участков, или дисков. В мышечных клетках миофибриллы располагаются таким образом, что светлые и темные участки рядом расположенных миофибрилл совпа­дают, что создает видимую под микроскопом поперечную исчертан- ность всего мышечного волокна (рис. 9).

Рис. 9. Электронная микрофотография продольного среза участка мышечного волокна (увеличение в 10 ООО раз) (Л. Страйер, 1985)

 

Использование электронного микроскопа с очень большим увели­чением позволило расшифровать строение миофибрилл и установить причины наличия у них светлых и темных участков. Было обнаружено, что миофибриллы являются сложными структурами, построенными, в свою очередь, из большого числа мышечных нитей (протофибрилл, или филаментов) двух типов - толстых и тонких. Толстые нити имеют Диаметр 15 нм, тонкие - 7 нм.

Состоят же миофибриллы из чередующихся пучков параллельно Расположенных толстых и тонких нитей, которые концами заходят ^дРУг в друга. На рис. 10 представлена схема строения миофибриллы.

А-диск

Рис. 10. Схема строения миофибриллы

Участок миофибриллы, состоящий из толстых нитей и находящихся между ними концов тонких нитей, обладает двойным лучепреломлени­ем. При микроскопии этот участок задерживает видимый свет или по­ток электронов (при использовании электронного микроскопа) и по­этому кажется темным. Такие участки получили название анизотроп­ные, или темные, диски (А-диски).

Светлые участки миофибрилл состоят из центральных частей тон­ких нитей. Они сравнительно легко пропускают лучи света или поток электронов, так как не обладают двойным лучепреломлением и назы­ваются изотропными, или светлыми, дисками (I-диски). В середине пучка тонких нитей поперечно располагается тонкая пластинка из бел­ка, которая фиксирует положение мышечных нитей в пространстве. Эта пластинка хорошо видна под микроскопом в виде линии, идущей попе­рек I-диска, и названа Z-пластинкой, или Z-линией (см. рис. 9 и 10).

Участок миофибриллы между соседними Z-линиями получил на­звание саркомер. Его длина 2,5-3 мкм. Каждая миофибрилла состоит из нескольких сотен саркомеров (до 1000).

1-диск

Изучение химического состава миофибрилл показало, что толстые и тонкие нити состоят только из белков.

Толстые нити состоят из белка миозина. Миозин - белок с молеку­лярной массой около 500 кДа, содержащий две очень длинные поли­пептидные цепи. Эти цепи образуют двойную спираль, но на одном конце эти нити расходятся и формируют шаровидное образование - глобулярную головку. Поэтому в молекуле миозина различают две части - глобулярную головку и хвост (рис. 11).

Рис. 11. Схема строения молекулы миозина

 

116

В состав толстой нити входит около 300 миозиновых молекул, а на поперечном срезе толстой нити обнаруживается 18 молекул миозина. 1у1иозиновые молекулы в толстых нитях переплетаются своими хвоста­ми, а их головки выступают из толстой нити по правильной спирали

Рис. 12. Схема строения толстой нити (А. Уайт и др., 1981)

 

В головках миозина имеются два важных участка (центра). Один из них катализирует гидролитическое расщепление АТФ, т. е. соответст­вует активному центру фермента. АТФазная активность миозина впер­вые обнаружена отечественными биохимиками Энгельгардтом и Лю­бимовой. Второй участок головки миозина обеспечивает во время мы­шечного сокращения связь толстых нитей с белком тонких нитей - ак­тином.

Тонкие нити состоят из трех белков: актина, тропонина и тропо- миозина.

Основной белок тонких нитей - актин. Актин - глобулярный белок с молекулярной массой 42 кДа. Этот белок обладает двумя важнейши­ми свойствами. Во-первых, проявляет высокую способность к полиме­ризации с образованием длинных цепей, называемых фибриллярным актином (можно сравнить с нитью бус). Во-вторых, как уже отмеча­лось, актин может соединяться с миозиновыми головками, что приво­дит к образованию между тонкими и толстыми нитями поперечных мостиков, или спаек.

Основой тонкой нити является двойная спираль из двух цепей фиб­риллярного актина, содержащая около 300 молекул глобулярного акти­на (как бы две нити бус, закрученные в двойную спираль. Каждая бу­синка соответствует глобулярному актину). На рис. 13 приведена схема строения двойной спирали из нитей фибриллярного актина.

Рис. 13. Схема строения двойной спирали из фибриллярного актина

Еще один белок тонких нитей - тропомиозин - также имеет форму Двойной спирали, но эта спираль образована полипептидными цепями и по размеру гораздо меньше двойной спирали актина. Тропомиозин
располагается в желобке двойной спирали фибриллярного актина. Тре­тий белок тонких нитей — тропонин - присоединяется к тропомиозину и фиксирует его положение в желобке актина, при котором блокирует­ся взаимодействие миозиновых головок с молекулами глобулярного актина тонких нитей (рис. 14).

тропонин актин / / 1 тропомиозин Рис. 14. Схема строения тонкой нити (А. Уайт и др., 1981)

 

Мышечное сокращение является сложным механохимическим процессом, в ходе которого происходит преобразование химической энергии гидролитического расщепления АТФ в механическую работу, совершаемую мышцей.

В настоящее время этот механизм еще полностью не раскрыт. Но достоверно известно следующее:

1. Источником энергии, необходимой для мышечной работы являет­ся АТФ.

2. Гидролиз АТФ, сопровождающийся выделением энергии, катали­зируется миозином, который, как уже отмечалось, обладает фермента­тивной активностью.

3. Пусковым механизмом мышечного сокращения является повы­шение концентрации ионов Са²⁺ в саркоплазме миоцитов, вызываемое двигательным нервным импульсом.

4. Во время мышечного сокращения между толстыми и тонкими ни­тями миофибрилл возникают поперечные мостики, или спайки.

5. Во время мышечного сокращения происходит скольжение тонких нитей вдоль толстых, что приводит к укорочению миофибрилл и всего мышечного волокна в целом.

Имеется много гипотез, пытающихся объяснить молекулярный ме­ханизм мышечного сокращения. Наиболее обоснованной в настоящее время является гипотеза «весельной лодки», или «гребная» гипотеза X. Хаксли. В упрощенном виде ее суть заключается в следующем.

В мышце, находящейся в состоянии покоя, толстые и тонкие нити миофибрилл друг с другом не соединены, так как участки связывания на молекулах актина закрыты молекулами тропомиозина.

. представляющих I 19

Мышечное сокращение происходит под воздействием двигательно­го нервного импульса, представляющего собой волну повышенной мембранной проницаемости, распространяющуюся по нервному во­локну • Эта волна повышенной проницаемости передается через нерв­но-мышечный синапс на Т-систему саркоплазматической сети и в ко­нечном счете достигает цистерн, содержащих ионы кальция в большой концентрации. В результате значительного повышения проницаемости стенки цистерн (это тоже мембрана!) ионы кальция выходят из цистерн и их концентрация в саркоплазме за очень короткое время (около 3 мс) возрастает с 10~⁸ до КГ⁵ г-ион/л, т. е. в 1000 раз. Ионы кальция, нахо­дясь в высокой концентрации, присоединяются к белку тонких нитей - тропонину - и меняют его пространственную форму (конформацию). Изменение конформации тропонина, в свою очередь, приводит к то­му, что молекулы тропомиозина смещаются вдоль желобка фибрил­лярного актина, составляющего основу тонких нитей, и освобождают тот участок актиновых молекул, который предназначен для связыва­ния с миозиновыми головками. В результате этого между миозином и актином (т. е. между толстыми и тонкими нитями) возникает попе­речный мостик, расположенный под углом 90°. Поскольку в толстые и тонкие нити входит большое число молекул миозина и актина (около 300 в каждую), то между мышечными нитями образуется довольно большое количество поперечных мостиков, или спаек. На электрон­ной микрофотографии (рис. 15) хорошо видно, что между толстыми и тонкими нитями имеется большое количество поперечно располо­женных мостиков.

Рис. 15. Электронная микрофотография продольного среза участка миофибриллы (увеличение - 300 000 раз) (Л. Страйер, 1985)

 

Нервное вотокно состойi ич аксонов - отростков нервных клеюк собой гр\бочки, обргнованные и\ плазмашческои мембраной.

Образование связи между актином и миозином сопровождается по­вышением АТФазной активности последнего (т. е. актин действует по­добно аллостерическим активаторам ферментов), в результате чего происходит гидролиз АТФ:

АТФ + Н₂0 ------- АДФ + Н₃Р0₄ + энергия

За счет энергии, выделяющейся при расщеплении АТФ, миозиновая головка, подобно шарниру или веслу лодки, поворачивается и мостик между толстыми и тонкими нитями оказывается под углом 45°, что приводит к скольжению мышечных нитей навстречу друг другу (рис. 16).

а б         1 II

Рис. 16. а - образовавшиеся мостики между толстыми и тонкими нитями располагаются под углом 90°; б - после поворота мостики оказываются под углом 45°

 

Совершив поворот, мостики между толстыми и тонкими нитями разрываются. АТФазная активность миозина вследствие этого резко снижается, и гидролиз АТФ прекращается. Но если двигательный нервный импульс продолжает поступать в мышцу и в саркоплазме со­храняется высокая концентрация ионов кальция, поперечные мостики вновь образуются, АТФазная активность миозина возрастает и снова происходит гидролиз новых порций АТФ, дающий энергию для пово­рота поперечных мостиков с последующим их разрывом. Это ведет к дальнейшему движению толстых и тонких нитей навстречу друг другу и укорочению миофибрилл и мышечного волокна.

В результате многократного образования, поворота и разрыва мос­тиков мышца может максимально сократиться, при этом тонкие нити наслаиваются друг на друга (иногда могут переплетаться), а толстые нити упираются в Z-пластинку (при сверхнапряжении их концы даже могут быть расплющены) (рис. 17).

Рис. 17. Схема строения участка максимально укороченной миофибриллы

Каждый цикл сокращения (образование, поворот и разрыв мостика) требует расходования одной молекулы АТФ в качестве источника энергии. Учитывая, что во всей мышце во время ее сокращения возни­кает огромнейшее количество поперечных мостиков, затраты АТФ на энергообеспечение мышечной деятельности очень велики.

Расслабление мышцы (релаксация) происходит после прекраще­ния поступления двигательного нервного импульса. При этом прони­цаемость стенки цистерн саркоплазматического ретикулума уменьша­ется, и ионы кальция под действием кальциевого насоса, использующе­го энергию АТФ, уходят в цистерны. Их концентрация в саркоплазме быстро снижается до исходного уровня. Снижение концентрации каль­ция в саркоплазме вызывает изменение конформации тропонина, что приводит к фиксации молекул тропомиозина в определенных участках актиновых нитей и делает невозможным образование поперечных мос­тиков между толстыми и тонкими нитями. За счет упругих сил, возни­кающих при мышечном сокращении в коллагеновых нитях, окружаю­щих мышечное волокно, оно при расслаблении возвращается в исход­ное положение.

Возвращению мышцы в исходное состояние также способствует со­кращение мышц-антагонистов.

Таким образом, процесс мышечного расслабления, или релаксация, так же как и процесс мышечного сокращения, осуществляется с ис­пользованием энергии гидролиза АТФ.

Гладкие мышечные волокна по строению существенно отличают­ся от поперечно-полосатых. В гладких мышечных клетках нет миофиб­рилл. Тонкие нити присоединяются к сарколемме, толстые находятся внутри волокон (рис. 18).

Рис. 18. Схема расположения толстых и тонких нитей в гладких мышечных волокнах

 

В гладких мышечных волокнах отсутствуют также цистерны с ио­нами кальция. Под действием нервного импульса ионы Са²⁺ поступают ^в саркоплазму из внеклеточного вещества. Поступают ионы кальция в саркоплазму медленно и также медленно уходят из волокна после пре­кращения поступления нервного импульса. Поэтому гладкие мышцы медленно сокращаются и медленно расслабляются.

Полезная информация

Масса мышц у взрослого человека составляет около 40% от массы тела.

У спортсменов, наращивающих мускулатуру, мышечная масса может достичь 60% и более от массы тела.

Мышцы у взрослого человека в состоянии покоя потребляют около 10% от всего кислорода, поступающего в организм.

При интенсивной работе потребление кислорода мышцами может возрасти до 90% от всего потребляемого кислорода.

ГЛАВА 15