Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка icon

Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка





НазваниеПеревод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка
страница7/36
Н. Н. Алипова
Дата25.03.2013
Размер8.58 Mb.
ТипЛитература
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   36
^

Часть II. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ; ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ

Глава 4. МЫШЦА. Й. Рюэгг


Взаимодействие человека с внешней средой не может осуществляться без сокращений его мышц. Производимые при этом движения необходимы как для выполнения простейших манипуляций, так и для выражения самых тонких мыслей и чувств-посредством речи, письма, с помощью мимики или жестов. Масса мышц намного больше, чем других органов; они составляют 40-50% массы тела. Мышцы-это «машины», преобразующие химическую энергию непосредственно в механическую (работу) и в теплоту. Деятельность их, в частности механизм укорочения и генерирования силы, сейчас можно достаточно детально объяснить на молекулярном уровне с использованием физических и химических законов.
^

4.1. Молекулярный механизм сокращения


Один грамм ткани скелетной мышцы содержит примерно 100 мг «сократительных белков»-актина (молекулярная масса 42 000) и миозина (молекулярная масса 500 000). Механизм их взаимодействия во время элементарного акта мышечного сокращения объясняет теория скользящих нитей, разработанная Хаксли и Хансон [11-14].
^
Теория скользящих нитей

Сократительные белки актин и миозин образуют в миофибриллах тонкие и толстые миофиламенты. Они располагаются параллельно друг другу внутри мышечной клетки, как показано на рис. 4.1-схеме крошечного участка мышечного волокна человека. На ней изображены также одна из митохондрий (саркосом), лежащая между миофибриллами, и часть системы поперечных и продольных трубочек (их функции рассмотрены в разд. 4.2).

Миофибриллы представляют собой сократимые пучки «нитей» (филаментов) диаметром около

1 мкм. Перегородки, называемые Z-пластинками, разделяют их на несколько компартментов-саркомеров-длиной примерно по 2,5 мкм.

^ Структура саркомеров схематически показана на рис. 4.1. С помощью светового микроскопа в них можно видеть регулярно чередующиеся поперечные светлые и темные полосы. Согласно теории Хаксли и Хансон [11], такая поперечная полосатость миофибрилл обусловлена особым взаиморасположением актиновых и миозиновых филаментов. Середину каждого саркомера занимают несколько тысяч «толстых» нитей миозина диаметром примерно по 10 нм. На обоих концах саркомера находятся около 2000 «тонких» (толщиной по 5 нм) нитей актина, прикрепленных к Z-пластинкам наподобие щетинок в щетке. Пучок лежащих в определенном порядке





Рис. 4.1. Схема участка волокна скелетной мышцы человека (по Garamvölgyi)

^ 70 ЧАСТЬ И. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ





Рис. 4.2. ^ А. Поперечнополосатая структура миофибрилл: слева расслабление, справа - сокращение. Б. Организация миозиновых и актиновых нитей в расслабленном и сократившемся саркомере. Обратите внимание на аддитивный характер укорочения последовательно соединенных саркомеров [11]

миозиновых нитей длиной 1,6 мкм в середине саркомера выглядит в световом микроскопе темной полосой шириной 1,6 мкм; из-за свойства двойного лучепреломления в поляризованном свете (т. е. анизотропии) она называется Α-диском. По обе стороны от Α-диска находятся изотропные участки, содержащие только тонкие нити и поэтому выглядящие светлыми; эти так называемые I-диски тянутся до Z-пластинок. Именно в результате такого периодического чередования светлых и темных полос в бесчисленных саркомерах миофибриллы сердечной и скелетной мускулатуры выглядят поперечнополосатыми.

В покоящейся мышце концы толстых и тонких филаментов обычно лишь слабо перекрываются на границе между А- и I-дисками. Эта зона перекрывания в Α-диске выглядит в световом микроскопе гораздо темнее центральной Η-зоны, в которой нет актиновых нитей. На электронных микрофотографиях Η-зоны видна очень тонкая темная М-линия в середине саркомера-сеть опорных белков, по-видимому, удерживающих толстые нити в составе единого пучка.

^ Укорочение саркомеров. Мышца сокращается в результате укорочения множества последовательно соединенных саркомеров в миофибриллах. Сравнивая структуры саркомера в двух различных функциональных состояниях (рис. 4.2), можно видеть изменения поперечной исчерченности и взаиморасположения нитей во время сокращения: тонкие актиновые филаменты скользят вдоль толстых миозиновых, двигаясь между ними к середине их пучка и саркомера.

Рис. 4.2 иллюстрирует основное положение теории скользящих нитей-во время сокращения мыш-

цы сами актиновые и миозиновые нити не укорачиваются. Это объясняет данные световой микроскопии: ширина А-диска (1,6 мкм) всегда остается постоянной, тогда как I-диски и Η-зоны при сокращении сужаются.

Длина нитей не меняется и при растяжении мышцы. Тонкие филаменты попросту вытягиваются из промежутков между толстыми нитями, так что степень перекрывания их пучков уменьшается.

Каким же образом осуществляется «разнонаправленное скольжение» актиновых нитей в двух половинах саркомера?

^ Работа поперечных мостиков. Миозиновые нити несут поперечные, отходящие биполярно, как показано на рис. 4.3, А, выступы длиной около 20 нм с головками примерно из 150 молекул миозина. Во время сокращения каждая головка (поперечный мостик) может связывать миозиновую нить с соседними актиновыми (рис. 4.3, А). Движение головок создает объединенное усилие, как бы «гребок», продвигающий актиновые нити к середине саркомера. Сама биполярная организация молекул миозина обеспечивает противоположную направленность (стрелки на рис. 4.3) скольжения актиновых нитей в левой и правой половинах саркомера.

В результате однократного движения поперечных мостиков вдоль актиновой нити саркомер укорачивается только на 2 χ 10 нм, т.е. примерно на 1% своей длины. Однако при изотоническом сокращении мышцы лягушки саркомеры за десятую долю секунды укорачиваются на 0,4 мкм, т. е. на 20% длины. Для этого поперечные мостики должны совершить свои гребковые движения за указанный промежуток времени не один, а 20 раз. Только за

^ ГЛАВА 4. МЫШЦА 71



Рис. 4.3. Функция поперечных мостиков. А Модель механизма сокращения: миозиновая нить с поперечными мостиками, прикрепленными к соседним актиновым нитям; вверху-до, внизу- после «гребка» мостиков (на самом деле они функционируют асинхронно) [2]. Б. Модель [10] механизма генерирования силы поперечными мостиками: слева - до. справа - поспе «гребка». Поперечные мостики химически соответствуют субфрагменту миозина-«тяжелому меромиозину», который состоит из субфрагментов I (головка) и II (шейка)

счет ритмичных отделений и повторных прикреплений миозиновых головок актиновая нить может подтягиваться к середине саркомера, подобно тому как группа людей тянет длинную веревку, перебирая ее руками. Благодаря суммации минимальных укорочений миофибрилл в последовательно расположенных саркомерах мышца лягушки длиной 2 см при изотоническом сокращении за 0,1 с поднимет маленький груз на высоту 0,4 см. Следовательно, когда принцип «вытягивания веревки» реализуется во множестве последовательных саркомеров, повторяющиеся молекулярные движения поперечных мостиков приводят к макроскопическому движению. При расслаблении мышцы миозиновые головки отделяются от актиновых нитей. Поскольку актиновые и миозиновые нити могут легко скользить друг относительно друга, сопротивление расслабленных мышц растяжению очень низкое. Их можно снова растянуть до исходной длины, приложив совсем небольшое усилие. Следовательно, удлийение мышцы во время расслабления носит пассивный характер. Только что описанные движения поперечных мостиков недавно были продемонстрированы на молекулярном уровне методом дифракции рентге-

новских лучей (их малоугловое рассеивание сократившейся мышцей с временным разрешением порядка нескольких миллисекунд [14]).

^ Генерирование мышечной силы. Благодаря упругости поперечных мостиков саркомер может развивать силу даже без скольжения нитей относительно друг друга, т. е. в строго изометрических экспериментальных условиях [10]. Рис. 4.3, Б иллюстрирует такой процесс генерирования изометрической силы. Сначала головка миозиновой молекулы (поперечный мостик) прикрепляется к актиновой нити под прямым углом. Затем она наклоняется под углом примерно 45°, возможно, благодаря притяжению между соседними точками прикрепления на ней и на актиновой нити. При этом головка действует как миниатюрный рычаг, приводя внутреннюю упругую структуру поперечного мостика (видимо, «шейки» между головкой и миозиновой нитью) в напряженное состояние. Возникающее в результате упругое растяжение достигает лишь около 10 нм. Упругое натяжение, создаваемое индивидуальным поперечным мостиком, так слабо, что для развития мышечной силы, равной 1 мН, нужно объединить усилия по крайней мере миллиарда таких соединенных параллельно мостиков. Они будут тянуть соседние актиновые нити, как команда игроков тянет канат.

Даже при изометрическом сокращении поперечные мостики не находятся в непрерывно напряженном состоянии (это наблюдается только при трупном окоченении см. ниже). На самом деле каждая миозиновая головка уже через сотые или десятые доли секунды отделяется от актиновой нити; однако через такое же короткое время следует новое прикрепление к ней. Несмотря на ритмичное чередование прикреплений и отделений с частотой порядка 5-50 Гц, сила, развиваемая мышцей в физиологических условиях, остается неизменной (исключение - летательные мышцы насекомых), так как статистически в каждый момент времени в прикрепленном, обусловливающем напряжение, состоянии находится одно и то же количество мостиков.

^ Изометрическое теплообразование. Мышца, поддерживающая определенное сократительное напряжение в изометрических условиях, отличается от сокращающейся изотонически тем, что не выполняет внешней работы (произведение силы на расстояние равно нулю). Однако в каждом цикле прикрепления-отделения поперечных мостиков совершается внутренняя работа по растяжению их упругих структур, которая преобразуется в тепло в момент отсоединения миозиновых головок. Теплота изометрического сокращения («изометрическая работа») за единицу времени возрастает с увеличением количества функционирующих поперечных мостиков и частоты «гребков», требующих расхода АТФ.
^
Преобразование химической энергии в механическую

Каким образом мышца преобразует химическую энергию в механическую? Вероятно, это важнейший вопрос современных молекулярных исследований мышц.

АТФ-непосредственный источник энергии для сокращения. Справедливость такого вывода не вызы-

^ 72 ЧАСТЬ II. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

вает сомнений с тех пор, как было продемонстрировано гидролитическое расщепление АТФ до АДФ и фосфата во время сокращения мышцы [15]. Все другие высвобождающие энергию реакции в ней, например аэробное и анаэробное расщепление углеводов и распад креатинфосфата, не обеспечивают этот процесс непосредственно; они служат только для непрерывного воспроизводства главного «топлива»-АТФ. Метаболическая сторона вопроса подробно рассматривается в учебниках биохимии, так что здесь мы ограничимся лишь кратким резюме (табл. 4.1). Скорость расщепления АТФ во время сокращения можно измерить только в условиях блокады ресинтеза АТФ соответствующими метаболическими ядами [15]. Изолированные мышцы лягушки, быстро замороженные жидким азотом на максимуме вызванного одиночным стимулом изотонического сокращения, содержат в среднем лишь 2,6 мкмоль АТФ на 1 г сырой массы, тогда как контрольные мышцы, не подвергавшиеся стимуляции,- 2,9 мкмоль. Вместо израсходованного АТФ появляется эквивалентное количество (0,3 мкмоль) продуктов реакции-АДФ и фосфата. Таким образом, расщепление 0,3 мкмоль АТФ обеспечило энергию для изотонического сокращения и выделение тепла.

АТФ гидролитически расщепляется и за счет этого энергетически используется в мышце с помощью особого фермента-АТФазы миозина, причем этот процесс активируется актином. Актин и миозин, как говорилось выше, представляют собой белковые структуры, прямо участвующие в механическом сокращении, а АТФ-единственное вещество в мышце (исключение составляют только редкие нуклеозидтрифосфаты), которое ими может непосредственно утилизироваться. Веберу и Портцелю удалось получить гелеобразные сократительные нити актина и миозина (актомиозиновые нити), способные сокращаться так же, как живые мышцы, используя АТФ (только АТФ!) в качестве источника энергии [19]. Это подтверждает непосредственное участие АТФ в мышечном сокращении.

Потребление АТФ во время сокращения. Сейчас известно, что миозиновые головки, взаимодействующие с актином, сами содержат каталитически активные центры

для расщепления АТФ. АТФаза миозина активируется актином в присутствии Mg2+. Следовательно, при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии Mg2+, АТФ расщепляется, высвобождая АДФ и фосфат, только в случае прикрепления головки миозина к активирующему белку-актину. (В отсутствие актина образующийся АДФ не высвобождается, а блокирует на несколько секунд каталитический центр миозина и, таким образом, дальнейшее расщепление АТФ.) В каждом цикле прикрепления-отделения поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, одна молекула на каждый мостик). Следовательно, чем больше мостиков находится в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ и сила, развиваемая мышцей; значит, эта скорость (интенсивность метаболизма), как правило, пропорциональна силе, развиваемой мышцей.

Скорость мышечного сокращения тем выше, чем быстрее движутся поперечные мостики, т.е. чем больше «гребков» они совершают в единицу времени. В результате быстрые мышцы потребляют в единицу времени больше и сохраняют при тоническом напряжении меньше АТФ (энергии), чем медленные. Поэтому для поддержания позы используются преимущественно медленные мышечные волокна (типа I), богатые миоглобином, а для быстрых движений бедные им «белые» (типа IIB) или светлые (типа IIА) волокна.

Механизм действия АТФ. Механизм, с помощью которого донор энергии - молекула АТФ - обеспечивает перемещение поперечного мостика, интенсивно изучается [10, 13, 17]. По-видимому, АТФ связывается с поперечным мостиком после завершения «гребка», давая энергию для разделения взаимодействующих сократительных белков-актина и миозина. Почти сразу же после этого миозиновые головки отделяются от актина, а АТФ расщепляется до АДФ и фосфата. Продукты гидролиза остаются на короткое время связанными с каталитическим центром, что необходимо для нового присоединения поперечного мостика к актину и следующего генерирующего силу «гребка», во время которого происходит высвобождение АДФ и фосфата. Затем для отделения поперечного мостика с ним должна связаться новая молекула АТФ и начинается новый цикл. Ритмичная активность поперечных мостиков, т. е. циклы их прикрепления к актину и отсоединения от него, обеспечивающие мышечное сокращение, возможны только при гидролизе АТФ, а значит, при активации АТФазы. Если расщепление АТФ блокировано, мостики не могут прикрепляться к актину,



Таблица 4.1. Прямые и непрямые источники энергии в скелетной мышце человека [2]

Источники энергии

Количество, мкмоль/г мышцы

Реакции, дающие энергию

Аденозинтрифосфат (АТФ)

5

АТФАДФ + Р,

Креатинфосфат (КФ)

11

КФ + АДФАТФ + К

Глюкоза (мономеры в составе гликогена)

84

Анаэробное расщепление через пируват до лактата (гликолиз) Аэробное расщепление через пируват до СО2 и Н2О

Триглицериды

10

Окисление до СО2 и Н2О

АДФ-аденозиндифосфат, К-креатин, Pf~ неорганический фосфат.

^ ГЛАВА 4. МЫШЦА 73

сопротивление растяжению и сила мышечных волокон падают до нуля и мышца расслабляется. При гибели организма содержание АТФ в клетках снижается; когда оно переходит критический уровень, поперечные мостики остаются устойчиво прикрепленными к актиновой нити (пока не произойдет автолиз). При этом нити актина и миозина прочно соединены друг с другом, и мышца находится в состоянии трупного окоченения (rigor mortis). Анализ условий, обеспечивающих сокращение, ригидность и расслабление (табл. 4.2), основан на изучении «изолированных сократительных систем» [19].

Чтобы выяснить роль АТФ в сокращении и расслаблении, Вебер и др. [19] сначала удаляли из мышечных волокон весь эндогенный АТФ (например, путем экстрагирования водным раствором глицерола, что делает мембрану проницаемой для АТФ). Такие волокна ригидны, но при погружении в раствор АТФ вновь приобретают мягкость и растяжимость. Однако, если активность АТФазы подавлена, они останутся расслабленными и, подобно упомянутым выше искусственным актомиозиновым нитям, будут сокращаться только при активации АТФазы. Повторное подавление активности АТФазы снова вызывает расслабление этих «модельных волокон».
^

4.2. Регуляция мышечного сокращения


Обычно мышца возбуждается при поступлении потенциалов действия от иннервирующих мотонейронов; в результате передачи возбуждения через нервно-мышечные синапсы (с. 51) генерируются мышечные потенциалы действия (непрямая стимуляция). Возможна и прямая стимуляция мышечных волокон, но только в экспериментальных условиях. Например, при раздражении изолированной мышцы лягушки одиночным электрическим импульсом длительностью около 1 мс по мышечному волокну от места раздражения примерно через 1 -2 мс со скоростью примерно 2 м/с будет распространяться потенциал действия, а еще через несколько миллисекунд оно сократится (рис. 4.8). Таким образом, сокращение вызывается потенциалом действия, т. е. возбуждением мембраны волокна.
^
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 Са2 + . 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+ 106-105 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 + < 107 М.

2) При концентрации Ca2 примерно 106-105 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 Са2 + , т.е. при расслабленном состоянии миофибрилл, длинные молекулы тропомиозина располагаются так, что блокируют прикрепление поперечных миозиновых мостиков к актиновым нитям. И напротив, под влиянием Са2 + 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 Са2 + 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 Ca2 + 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 Са2 + 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],

^ ГЛАВА 4. МЫШЦА 75





Рис. 4.5. Схема электромеханического сопряжения. А. Расслабленное мышечное волокно с поляризованной клеточной мембраной. Концентрация Са2+ в нем ниже 107 М. Б. Потенциал действия меняет полярность мембраны клетки и поперечных трубочек на противоположную; Са2+ начинает выходить из терминальных цистерн. В. К моменту исчезновения потенциала действия внутриклеточная концентрация Са2+ достигала примерно 105 М, и саркомеры миофибрилл укоротились. Справа вверху: временная последовательность событий при электромеханическом сопряжении от «латентного» периода до начала сокращения (портняжная мышца лягушки при ОоС)

составляет первый этап электромеханического сопряжения (рис. 4.6). Воздействуя через микроэлектрод слабыми импульсами тока на мышечное волокно лягушки, эти авторы вызывали локальную деполяризацию такого маленького участка плазматической мембраны, что стимулировалась только одна поперечная трубочка (на уровне Z-пластинки). Возникающее в результате местное сокращение (контрактура) ограничивалось саркомерами поверхностных миофибрилл, непосредственно прилегающих к этой трубочке. По мере усиления стимула активировались все глубже расположенные миофибриллы. Очевидно, мембраны поперечных трубочек легко возбуждаются электрическим током, способны проводить возбуждение и составляют важное звено в процессе передачи сигнала от клеточной мембраны к хранилищам кальция.

Только за счет такой электрической передачи по поперечной системе возможна быстрая мобилизация запасов кальция в глубине волокна, и только этим можно объяснить очень короткий латентный период между стимулом и сокращением. Диффузия Ca2 + от поверхностной мембраны к миофибриллам. находящимся в центре мышечного волокна толщиной 100 мкм, продолжалась бы гораздо дольше, так что для волокон скелетных мышц подобный механизм можно исключить уже по временным соображениям.

^ Высвобождение кальция при одиночном сокращении. Каковы данные в пользу описанного высвобождения Са2+? Блинке с коллегами [4] выделили из светящихся медуз белок экворин, который при взаимодействии с Са2+ излучает свет. После инъекции этого белка изолированное мышечное волокно закрепляли изометрически и раздражали электрическим током с интервалами 100 или 200 мс. С помощью высокочувствительного фотометра (фотоумножителя) регистрировалась люминесценция (излучение света) экворина, сопровождавшая внутриклеточное высвобождение Са2+ (рис. 4.7). При стимуляции с частотой 5 Гц она была кратковременной, поскольку ионный насос вскоре перекачивал высвобожденный в миоплазму Са2+ обратно в саркоплазматический ретикулум; при таком режиме мышца совершает одиночные сокращения. Однако при ритмичном раздражении с частотой 10 Гц (второй стимул поступает уже через 100 мс после первого) волокно расслабляется не полностью. Второе сокращение накладывается на остаточное сокращение после первого стимула, третье-на предыдущие и т.д. Суммация одиночных сокращений ведет к росту как максимального напряжения в сократительном цикле, так и остаточной величины одиночных сокращений, хотя внутриклеточный уровень Ca2 + после каждого из них (судя по люминесценции) почти возвращается к уровню покоя. При этом

^ 76 ЧАСТЬ II. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ



Рис. 4.6. Опыт, демонстрирующий возможность локальной активации Т-систвмы [9]. Слабое локальное раздражение микрокатодом волокна поперечнополосатой мышцы лягушки (в области Z-пластинки, непосредственно над Т-трубочкой) вызывает укорочение прилегающих 1-дисков: Α-ρ,ο, Б—во время раздражения

опыт, представленный на рис. 4.7, показывает, что увеличение общего напряжения при стимуляции с интервалами по 100 мс нельзя объяснить повышением уровня внутриклеточного Са2 + .

Высвобождение Ca2 + при тетанусе. Если стимулы поступают с высокой частотой (не менее 20 Гц), уровень Са2+ в интервалах между ними остается высоким, потому что кальциевый насос не успевает вернуть все ионы в продольную систему саркоплазматического ретикулума. Как показывает рис. 4.7, в таких условиях отдельные сокращения почти полностью сливаются. Это состояние устойчивого сокращения, или тетанус, наблюдается в том случае, когда промежутки между стимулами (или потенциалами действия в клеточной мембране) меньше примерно 1/3 длительности каждого из одиночных сокращений. Следовательно, частота стимуляции, необходимая для их слияния, тем ниже, чем больше их длительность; по этой причине она зависит от температуры. Минимальный промежуток времени между последовательными эффективными стимулами во время тетануса не может быть меньше рефрактерного периода, который приблизительно соответствует длительности потенциала действия.

^ Закон «все или ничего». Этому закону подчиняются быстрые волокна скелетных мышц. Подпоро-




Рис. 4.7. Опыт, демонстрирующий внутриклеточное высвобождение Са2+ в мышечных волокнах. Люминесценция (красные кривые) и развитие изометрического напряжения в изолированном мышечном волокне шпорцевой лягушки при прямом раздражении импульсами тока длительностью по 0,5 мс с частотой 5, 10 и 20 Гц (моменты раздражения показаны штрихами под кривыми). Заметны суммация и слияние одиночных сокращений до (зубчатого) тетануса при повышении частоты стимуляции. Изометрическое напряжение измерено в ньютонах на 1 см2 площади поперечного сечения мышцы, а люминесценция, вызванная Са2+, в единицах силы анодного тока фотоумножителя. Вверху: схема экспериментальной установки, использованной Блинксом и др. [4]

говые стимулы не вызывают потенциалов действия и высвобождения Са2 + . Как только интенсивность стимула превысит определенный пороговый уровень, генерируется распространяющийся потенциал действия и происходит максимальное высвобождение Са2 + ; это обеспечивает максимальную силу сокращения, уже не возрастающую при повышении интенсивности стимула (рис. 4.8).

Вместе с тем при электрическом раздражении целой мышцы сила ее сокращения зависит от интенсивности стимула. Например, если он едва превышает пороговый уровень, ответ по типу «все или ничего» наблюдается только в волокнах, находящихся вблизи от электрода, где плотность тока максимальна; для возбуждения всех волокон требуется гораздо более сильный (максимальный) стимул. Таким образом, только сверхмаксимальное

^ ГЛАВА 4. МЫШЦА 77



Рис. 4.8. Временной ход потенциала действия и изометрического сокращения поперечнополосатой мышцы (приводящей большой палец)

раздражение может равномерно и достаточно надежно активировать изолированную целую мышцу.

Закон «все или ничего» не означает, что ответ раздражаемого мышечного волокна будет всегда одинаков по величине. Например, если мышца только что расслабилась после тетануса, одиночный стимул часто вызывает гораздо более сильное одиночное сокращение, чем до такого «кондиционирования». Причины этой посттетанической потенцнацни известны так же мало, как и механизм мышечного утомления - снижения силы сокращения при ритмической стимуляции. В обоих случаях у потенциалов действия нормальная амплитуда. При кислородной недостаточности и в еще большей степени при нарушении метаболизма иодацетатом ритмическая стимуляция сопровождается не только снижением силы сокращения, но и замедлением расслабления; в конечном итоге, когда запас АТФ истощается, такая «отравленная» мышца вообше утрачивает способность к расслаблению-становится ригидной. Состояние необратимой ригидности и тетанус следует отличать от различных видов длительного напряжения, обсуждаемых ниже.

Контрактура. Контрактурой называется состояние обратимого местного устойчивого сокращения. Оно отличается от тетануса отсутствием распространяющегося потенциала действия. При этом может наблюдаться длительная локальная деполяризация мышечной мембраны, например при калиевой контрактуре, или же мембранный потенциал, близкий к уровню покоя, в частности при кофеиновой контрактуре. Кофеин при нефизиологически высоких (миллимолярных) концентрациях проникает в мышечные волокна и, не вызывая возбуждения мембраны, способствует высвобождению Ca2 + из саркоплазматического ретикулума; в результате развивается контрактура. При калиевой контрактуре степень стойкой деполяризации и сократительного на-

пряжения волокна зависит от концентрации К+ в наружном растворе.

В отличие от быстрых или медленных фазических волокон сокращение «тонических волокон» всегда представляет собой контрактуру. Их прямое или непрямое электрическое раздражение в случае поперечнополосатых мышц (медленных волокон глазных мышц, некоторых интрафузальных волокон) вызывает не распространяющийся потенциал действия, а местную деполяризацию мембраны. По мере повышения интенсивности или частоты надпороговой стимуляции тоническая деполяризация мембраны возрастает, что увеличивает как количество высвобождаемого внутриклеточного Са2 + , так и силу сокращения. В отличие от фазических волокон тонические не подчиняются закону «все или ничего»; развиваемая ими сила регулируется изменениями внутриклеточной концентрации Ca . Это впервые продемонстрировал Эшли с помощью описанного выше экворинового метода при исследовании тонических мышечных волокон морского желудя (Baianus).
^
Регуляция мышечной силы в организме человека

Двигательная единица состоит из одного мотонейрона и группы иннервируемых им мышечных волокон. Размеры таких единиц широко варьируют. В наружных глазных мышцах, например, мотонейрон иннервирует примерно полдюжины волокон, в других мышцах гораздо больше, часто -от 500 до 1000 (табл. 4.4). Поскольку каждое волокно подчиняется закону «все или ничего», сила, развиваемая двигательной единицей при одиночном сокращении, варьирует слабо; либо все ее волокна возбуждаются и сокращаются, либо они расслаблены. Однако развиваемая сила зависит от частоты стимуляции. Из-за упомянутых выше эффектов наложения и суммации во время полного, гладкого тетануса (при высокой частоте импульсов α-мотонейрона) она примерно вдвое больше, чем при неполном, зубчатом тетанусе, наблюдаемом при более низких частотах стимуляции. Даже при очень низкой ее частоте, скажем 5-10 Гц, слабое общее напряжение мышцы (тонус) остается без изменений, поскольку у разных асинхронно активных двигательных единиц максимумы одиночных сокращений или зубчатых тетанусов не совпадают.



Таблица 4.4. Крупные и мелкие двигательные единицы

Мышца

Наружная прямая мышца глаза

Двуглавая мышца плеча

Число двигательных единиц на мышцу

1740

774

Число мышечных волокон на двигательную единицу

13

750

Максимальная сила на двигательную единицу, Η

0,001

0,5

^ 78 ЧАСТЬ II. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Корреляция между силой сокращения и частотой потенциалов действия. При повышении частоты импульсации мотонейрона от 5 до 50 Гц одиночные сокращения или зубчатый тетанус двигательных единиц переходят в гладкий тетанус; в результате сила сокращения по крайней мере удваивается. Введя в двигательную единицу игольчатые электроды [3], можно внеклеточно зарегистрировать частоту мышечных потенциалов действия (рис. 4.9). Такие электромиографические исследования показали, что величина произвольного мышечного усилия коррелирует с частотой потенциалов действия двигательных единиц, а следовательно, увеличивается при повышении частоты стимуляции [3].

^ Вовлечение двигательных единиц. Сила и скорость сокращения мышцы (см. с. 82) увеличиваются также по мере активации (вовлечения) все большего количества двигательных единиц. При этом чем меньше размеры (а следовательно, и сила) каждой из них, тем тоньше регулировка общего усилия. При слабом произвольном мышечном напряжении потенциалы действия регистрируются электромиографически с помощью внеклеточных игольчатых электродов только в нескольких двигательных единицах, при сильном (после вовлечения) в очень многих. Соответственно общая электрическая активность мышцы, определяемая с помощью накладываемых на кожу поверхностных электродов, также возрастает но мере увеличения силы сокращения участков мышцы под электродами.

^ Рефлекторный тонус. Даже в состоянии видимого покоя некоторые мышцы проявляют слабую электромиографически регистрируемую активность. Благодаря периодической низкочастотной рефлекторной активации небольшого числа двигательных единиц некоторые (но не все) позные мышцы часто находятся в состоянии устойчивого непроизвольного напряжения, обусловленного асинхронной работой их функциональных единиц. Такой нейрогенный «тонус» модулируется системой γ-волокон мышечных веретен (с. 96): во время умственного напряжения или эмоционального возбуждения он часто непроизвольно усиливается, а в состоянии глубокого расслабления полностью исчезает.

^ Клиническая электромиография. При некоторых нарушениях, затрагивающих иннервацию мышц (сс. 103, 116), их пассивное движение или растяжение вызывает рефлекторное повышение тонуса и в результате сопротивление растяжению. Соответственно электромиографическая активность мышцы возрастает во время ее пассивного движения (спастичность, или ригидность). При заболеваниях типа миотонии мембраны мышечных волокон так легко возбудимы, что даже введение игольчатого элект-




Рис. 4.9. Электромиография. А. Методика внеклеточной регистрации с помощью концентрического игольчатого электрода, введенного в мышцу между волокнами двигательной единицы. Б. Одновременная запись внеклеточных потенциалов действия двух разных двигательных единиц мышцы (I и II) с помощью двух электродов: а - мышца расслаблена; б - слабое произвольное сокращение (заметна асинхронная активность двух двигательных единиц); в -максимальное произвольное сокращение (по [3] с изменениями)

рода для электромиографии вызывает разряды мышечных импульсов. Когда после периода покоя человек произвольно напрягает мышцу, в таких гипервозбудимых мембранах возникают продолжительные следовые разряды (залпы потенциалов действия), в результате чего она сокращается дольше, чем нужно, и становится ригидной. В отличие от дегенеративных мышечных заболеваний (дистрофий) при миотонии сократительный аппарат не страдает. Спонтанные потенциалы действия (потенциалы фибрилляции) регистрируются также на первой стадии после денервации мышцы, прежде чем ее бездействие приведет к денервациониой атрофии. Во-

^ ГЛАВА 4. МЫШЦА 79

локна, атрофирующиеся вследствие длительной денервации (например, при полиомиелите или боковом амиотрофическом склерозе), замещаются соединительной тканью. Однако в случае частичных повреждений нервов аксоны оставшихся интактными мотонейронов могут врастать в денервированные участки мышцы и иннервировать не только «собственные», но и «чужие» мышечные волокна. В результате размеры двигательных единиц и амплитуда потенциалов действия увеличиваются.
^

4.3. Мышечная механика


Сила, развиваемая мышцей или пучком мышечных волокон, соответствует сумме сил отдельных волокон. Чем толще мышца и больше «физиологическая» площадь ее поперечного сечения (сумма площадей поперечных сечений отдельных волокон), тем она сильнее. Например, при мышечной гипертрофии ее сила и толщина волокон возрастают в одинаковой степени.

В пересчете на единицу площади поперечного сечения (1 см2) поперечнополосатые мышцы млекопитающих обычно развивают максимальную силу более 40 Н, тогда как мышцы лягушки - лишь около 30 Н.

^ Мышечная сила зависит не только от активирующего влияния центральной нервной системы (см. с. 78), но и в очень высокой степени от внешних механических условий работы мышцы.

^ Ауксотоническре и изометрическое сокращения.

В организме человека скелетные мышцы передают силу частям скелета посредством упругих, отчасти растяжимых структур-сухожилий. Во время развития силы у мышцы есть тенденция укоротиться, а следовательно, растянуть и напрячь упругие структуры, прикрепляющие ее к скелету. Мышечное сокращение, при котором длина мышцы уменьшается по мере увеличения развиваемой ею силы, называется ауксотоническим. Максимальная сила при ауксотонических экспериментальных условиях (с растяжимой упругой связью между мышцей и датчиком силы) называется максимумом ауксотонического сокращения. Она гораздо меньше силы, развиваемой мышцей при постоянной длине, т.е. при изометрическом сокращении. Для его экспериментального исследования мышцу в расслабленном состоянии (в покое) закрепляют с обоих концов, чтобы во время активации и измерения напряжения она не могла укорачиваться. Однако даже в этих условиях сократительные элементы мышечных волокон (миозиновые головки) передают силу сухожилиям или регистрирующему устройству только через упругие внутримышечные структуры. Они входят в состав поперечных мостиков [10] (рис. 4.3), актиновых нитей, Z-пластинок и сухожильно-мышечных соедине-




Рис. 4.10. Суммация и слияние одиночных сокращений при ритмическом раздражении мышцы лягушки (0 оС). Интервалы между стимулами составляли 500 мс при наложении сокращений и 50 мс при гладком тетанусе (по [3] с изменениями). Справа: механическая модель мышцы; СЭ сократительный элемент, ПаУЭ параллельный упругий злвмент; ПоУЭ -последовательный упругий элемент

ний. Упрощенно мышцу можно представить как систему сократительных (СЭ) и упругих (УЭ) элементов, последовательно соединенных друг с другом. Такая механическая модель показана на рис. 4.10. Во время активации СЭ укорачиваются (ауксотонически) примерно на 1%, растягивая последовательно соединенные с ними УЭ; измеряется именно сила этого растяжения.

^ Одиночное сокращение, суперпозиция сокращений, тетанус. В изометрических условиях одиночный стимул вызывает быстрый рост сократительного напряжения, которое вскоре снова падает (одиночное изометрическое сокращение, рис. 4.10; ср. с. 76 и рис. 4.8). Если до полного расслабления мышцу снова стимулировать, второе сокращение накладывается на первое, и общее напряжение увеличивается (механическая суммация). При подаче стимулов с короткими интервалами одиночные сокращения сливаются в тетанус (рис. 4.10, ср. с. 76). До сих пор нет общепризнанной теории, объясняющей, почему напряжение, развиваемое при тетанусе, или суперпозиции сокращений, гораздо больше, чем при одиночном сокращении. Во время кратковременной активации мышцы в начале одиночного сокращения в поперечных мостиках между нитями актина и миозина возникает упругое напряжение. Однако недавно было показано, что такой активации недостаточно для прикрепления всех мостиков. Когда она более длительная, обеспечиваемая ритмической стимуляцией (например, при тетанусе), их прикрепляется больше. Количество поперечных мостиков, связывающих актиновые и миозиновые филаменты (а

^ 80 ЧАСТЬ II. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

следовательно, и развиваемая мышцей сила), согласно теории скользящих нитей, зависит от степени перекрывания толстых и тонких нитей, а значит, и от длины саркомера или мышцы.
^
Сила изометрического сокращения и длина мышцы

Расслабленная мышца, сохраняющая «длину покоя» за счет фиксации обоих ее концов, не развивает силу, которая передавалась бы на датчик. Однако если потянуть за один ее конец (рис. 4.11), чтобы волокна растянулись, в ней возникает пассивное напряжение. Таким образом, мышца в состоянии покоя упруга, хотя в отличие от полоски резины ее напряжение не возрастает при растяжении линейно. Построив график зависимости силы от длины в прямоугольной системе координат, получим так называемую кривую напряжения покоя. Ее наклон тем круче, чем больше растянута мышца (кривая а на рис. 4.11). Следовательно, модуль упругости покоящейся мышцы с растяжением возрастает. Эта упругость обусловлена главным образом растяжимыми структурами, расположенными параллельно сократительным миофибриллам (отсюда термин «параллельная упругость»). К ним относятся покрывающая мышечное волокно сарколемма, продольная система саркоплазматического ретикулума, соединительнотканные образования между волокнами. В отличие от них миофибриллы в расслабленном состоянии практически не оказывают сопротивления растяжению; актиновые и миозиновые нити, не связанные поперечными мостиками, легко скользят относительно друг друга.

Степень предварительного растяжения определяет величину не только пассивного упругого напряжения покоящейся мышцы, но и дополнительной силы, которую она может развить в случае активации при данной исходной длине. Этот изометрический прирост силы суммируется с пассивным напряжением; пиковое усилие при таких условиях называется максимумом изометрического сокращения. Пассивные упругие силы растянутых продольных трубочек и сарколеммы суммируются с активными сократительными силами миофибрилл, поскольку эти структуры располагаются параллельно, как показано на механической модели (рис. 4.10, справа). График сила-длина, т.е. зависимость максимумов изометрического сокращения мышцы или саркомера от длины, при которой они измерялись, называется кривой изометрических максимумов (кривая б на рис. 4.11). Чтобы определить соотношение между активной сократительной силой и длиной мышцы или саркомера, нужно вычесть из этих максимумов пассивные напряжения. У результирующей кривой (рис. 4.12) будет характеристический максимум при длине мышцы, примерно соот-




Рис. 4.11. Соотношение между силой и длиной мышцы: а-кривая пассивного напряжения; б-кривая изометрических максимумов. Общая сила, развиваемая при данном предварительном растяжении (Б), складывается из пассивного напряжения (А) и активной сократительной сипы (Б-А). Вверху: схема экспериментальной установки для регистрации изометрического напряжения. Мышца лягушки при длине покоя (/0 2,3) закреплена между динамометром (снизу) и фиксированной консолью, которую можно перемещать по вертикали, растягивая мышцу или устраняя ее растяжение (<l0). Свободно висящая мышца перед развитием изометрического напряжения укорачивается до определенной длины (0)

ветствующей состоянию покоя, когда длина саркомера составляет 2,0-2,2 мкм. При ее уменьшении сила снижается из-за того, что актиновая и миозиновая нити начинают мешать друг другу, а также из-за нарушения электромеханического сопряжения при укорочении мышцы. Эти факторы не позволяют большинству мышц укорачиваться до менее 5070% их длины в покое (см. точку пересечения кривой изометрических максимумов с осью абсцисс на рис. 4.11). Когда мышечные волокна растянуты до большей, чем в покое, длины, сила сокращения уменьшается вследствие того, что нити актина при этом вытянуты из миозиновых пучков. Так, при длине саркомера 2,9 мкм миофибриллы могут развить лишь около 50% максимальной силы, так как зона перекрывания миозиновых и актиновых нитей примерно вдвое меньше, чем в покое, и только

^ ГЛАВА 4. МЫШЦА 81





Рис. 4.12. Соотношение между силой сокращения, длиной саркомера и степенью перекрывания миофиламентов. Слева: максимальная изометрическая сила, развиваемая во время тетануса при разной длине саркомера; сила показана в процентах максимальной, развиваемой при длине мышечного волокна в состоянии покоя (т.е. при длине саркомера 2,2 мкм). Справа: перекрывание миозиновых и актиновых нитей при длине саркомера 2.2, 2,9 и 3,6 мкм (по [7] с изменениями)

половина головок миозина может прикрепиться к актину. Динамическое сопротивление растяжению, обусловленное упругостью поперечных мостиков («мгновенная жесткость» по Хаксли [9]), при этом также уменьшается вдвое. При длине саркомера более 3,6 мкм кривые напряжения покоя и изометрических максимумов совпадают (рис. 4.11): миофибриллы не способны развивать активную силу, поскольку актиновые и миозиновые нити не перекрываются. Эти механические опыты подтверждают высказанное сначала чисто теоретически предположение о том, что мышечная сила представляет собой результат взаимодействия актиновых и миозиновых филаментов (т. е. образования между ними поперечных мостиков) [7].
^
Соотношение между нагрузкой и укорочением мышцы

Изотоническое сокращение—это укорочение мышцы при постоянном напряжении или нагрузке. Для его регистрации изолированную мышцу в состоянии покоя подвешивают, закрепив один из ее концов в держателе. Другой ее конец соединяют с грузом (рис. 4.13), величина перемещения которого пропорциональна ее укорочению. Груз пассивно растягивает покоящуюся мышцу. Соотношение между растягивающей ее силой (нагрузкой) и степенью растяжения можно представить графически в виде кривой напряжения покоя (кривая а на рис. 4.13; см. также рис. 4.11). Если такую нагруженную, предварительно растянутую мышцу «тетанически» раздражать, она изотонически сокращается, т.е., поддерживая постоянное напряжение, укорачивается, поднимает груз и таким образом выполняет механическую работу (произведение груза на расстояние). Степень укорочения (расстояние) тем меньше, чем больше груз, и длина максимально сократившейся мышцы характерным образом от

него зависит; их связь описывает кривая изотонических максимумов (кривая е на рис. 4.13). Чтобы исследовать зависимость расстояния, на которое поднимается груз, от его веса, исключив эффект предварительного растяжения, рассмотрим еще одну форму сокращения.

^ Сокращение с запаздывающей нагрузкой. Предварительное растяжение мышцы грузом можно предотвратить, поддерживая его или фиксируя положение стрелки перед сокращением с помощью ограничительного винта (рис. 4.13). В этом случае при тетаническом раздражении мышца сначала сокращается изометрически, сохраняя начальную длину по мере развития напряжения, достаточного для удержания груза. Затем следует изотоническое сокращение, поднимающее груз с силой, эквивалентной действующей на него силе тяжести. Расстояние, на которое поднимется груз, будет тем больше, чем он меньше, т. е. длина максимально сократившейся мышцы при легком грузе меньше, чем при тяжелом. При построении графика зависимости длины от напряжения в системе прямоугольных координат, когда по оси абсцисс откладывают конечную длину, а по оси ординат-нагрузку (или мышечное напряжение, или силу), получается кривая максимумов сокращения с запаздывающей нагрузкой (кривая б на рис. 4.13), которая проходит значительно выше кривой изотонических максимумов (е) и почти совпадает с кривой изометрических максимумов (кривая б на рис. 4.11). Близкое соответствие между изометрическими максимумами и максимумами сокращения с запаздывающей нагрузкой не случайно: ведь во втором случае саркомеры нагруженной мышцы могут укорачиваться только до длины, при которой ее максимальная (изометрически возможная) сила по крайней мере равна противодействующему весу груза.

^ 82 ЧАСТЬ 11. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ



Рис. 4.13. Соотношение между нагрузкой и укорочением. Мышца лягушки в состоянии покоя (начальная длина l0 = 2,5 см) пассивно удлиняется при увеличении нагрузки (а кривая напряжения покоя); ОА растяжение, вызываемое грузом 120 г. АЕ: при изотоническом сокращении во время тетанического раздражения мышца с грузом 120 г укорачивается до длины, отражаемой кривой изотонических максимумов (е). ОВС: изотоническое тетаническое сокращение с запаздывающей нагрузкой (90 г) складывается из начального изометрического нарастания напряжения (OB) с последующим изотоническим укорочением, во время которого груз поднимается на 0,6 см (ВС), совершенная работа соответствует площади OBCD. Серые прямоугольники (OGG' и OFF') соответствуют мышечной работе при нагрузках 160 и 30 г. Груз 30 г прошел расстояние F- F'; груз 160 г - G G'. б -кривая максимумов изотонического сокращения с запаздывающей нагрузкой. Вверху: экспериментальная установка для регистрации сокращения с запаздывающей нагрузкой или (без ограничительного винта) изотонического сокращения

^ Мышечная работа, выполняемая при тетаническом сокращении с запаздывающей нагрузкой, равна произведению расстояния (укорочения мышцы) на вес груза; на графике длина/напряжение (рис. 4.13) она представлена площадью четырехугольника, стороны которого соответствуют развиваемой силе и величине укорочения. Из рис. 4.13 следует, что при умеренной нагрузке (площадь OBCD) работа больше, чем при очень большой или очень маленькой (серые прямоугольники). Работа становится нулевой, если нагрузка равна максимальной изометрической силе или если мышца укорачивается без нагрузки.

При одиночном сокращении соотношение между нагрузкой и работой очень близко к только что описанному (табл. 4.5). Однако при одиночных сокращениях с запаздывающей нагрузкой расстояние и работа меньше, чем при тетанусах с запаздывающей нагрузкой, так как в первом случае период активации слишком мал, чтобы произошло такое же укорочение мышцы, как во время тетануса.

Таблица 4.5. Влияние нагрузки на величину укорочения и производимую работу



Нагрузка, г

3

5

9

Укорочение, см

0,5

0,36

0.12

Работа, γ-cm

1,5

1,8

1,1

Длительность сокрашения, с

0.55

0.48

0.4

Данные для одиночных изотонических сокращений с запаздывающей нагрузкой портняжной мышцы лягушки длиной 3 см при 0°С. Сила изометрического сокрашения 0,12 Η (см. [16]).
^
Соотношение между скоростью сокращения и силой (нагрузкой)

При изотонической тетанической активации мышцы от нагрузки зависит не только величина укорочения, но и его скорость; чем меньше нагрузка, тем больше укорочение в единицу времени (рис. 4.14). Ненагруженная мышца укорачивается с максимальной скоростью, зависящей от типа мышечных волокон.

^ Максимальная (без нагрузки) скорость укорочения саркомера равна максимальной скорости скольжения актиновых и миозиновых нитей относительно друг друга. Чем быстрее поперечные мостики расщепляют АТФ и взаимодействуют с актином, тем выше скорость этого элементарного скольжения. В медленных волокнах (типа I), например в позных мышцах, у миозина низкая АТФазная активность, и по составу он отличается от миозина с высокой АТФазной активностью в быстрых волокнах (типов ПА и IIB), обеспечивающих главным образом движения. Недавно было показано, что быстрые волокна могут превращаться в медленные. Буллер и Экклз перерезали аксоны мотонейронов быстрой мышцы и медленной и реимплантировали их, меняя местами. Через несколько недель, когда устанавливалась перекрестная иннервация, быстрая мышца стала сокращаться медленно, а медленная - быстро. Поскольку саркомеры располагаются в миофибриллах последовательно, их укорочения суммируются, так что при одной и той же скорости укорочения саркомера длинная мышца будет сокращаться быстрее, чем короткая. Например, портняжная мышца лягушки сокращается со скоростью всего лишь 0,2 м/с (примерно 10 длин мышцы в 1 с), причем каждый саркомер длиной около 2 мкм укорачивается до 1,6 мкм за 20 мс. Мышцы руки человека, которые гораздо длиннее, укорачиваются со скоростью 8 м/с.

Как показывает рис. 4.14, скорость сокращения гиперболически снижается с увеличением нагрузки (соотношение сила/скорость по Хиллу) и достигает примерно 1/5 максимально возможной (наблюдае-

^ ГЛАВА 4. МЫШЦА 83



Рис. 4.14. Соотношение между силой и скоростью сокращения. По оси ординат скорость укорочения мышцы руки человека. По оси абсцисс-мышечная сила, которая требуется для удержания нагрузки. Площадь OBCD соответствует оптимальной механической мощности при скорости сокращения 2,5 м/с. Светло-серые прямоугольники-мощности при нагрузках 4 и 14 кг (по [20] с изменениями). На врезке - временной ход изотонического сокращения с запаздывающей нагрузкой (4, 8 и 15 кг). Прерывистыми линиями показан наклон кривых, соответствующий скорости укорочения

мой без нагрузки), когда нагрузка равна половине максимальной силы, развиваемой в изометрических условиях. Если нагрузка совпадает с этой силой, мышца вообще не укорачивается, а при еще большей нагрузке растягивается (на этом основано тормозящее действие мышц при ходьбе под гору).

Поскольку сила, которую должна развивать мышца при укорочении, равна нагрузке, соотношение, описанное Хиллом (см. выше), предполагает соответствующее соотношение между этой силой и скоростью укорочения. Быстро укорачиваясь, мышца развивает меньшую силу, чем при медленном укорочении или после предварительного растяжения. Этим объясняется тот общеизвестный факт, что быстрые «легкие» движения возможны, только если не требуется большая их сила, т.е. когда мышцы не нагружены (свободно двигаются), и, наоборот, максимальная мышечная сила требует медленных движений, например при передвигании крупных предметов. Большой вес можно поднять или столкнуть с места (если это вообще осуществимо) только очень медленно. Это вполне совместимо со способностью человека произвольно ме-

нять скорость мышечного сокращения. Например, когда все волокна мышцы участвуют в поднимании груза, относительная нагрузка на каждое активное волокно меньше и, следовательно, скорость их сокращения больше, чем в том случае, когда активна лишь часть волокон. Таким образом, можно увеличить скорость укорочения мышцы при одной и той же нагрузке за счет вовлечения дополнительных двигательных единиц.

^ Мощность мышцы равна произведению развиваемой ею силы на скорость укорочения. Например, максимальная мощность (200 Вт) мышцы нашей руки (рис. 4.14) будет достигнута при скорости сокращения 2,5 м/с. На графике мощность представлена площадью прямоугольника, стороны которого соответствуют силе и скорости. Можно видеть, что мощность выше при умеренных нагрузках (площадь OBCD) и скоростях сокращения, чем в экстремальных условиях (светло-серые прямоугольники). Этот принцип мы применяем на практике, подбирая при езде на велосипеде подходящую передачу или двигаясь зигзагами при подъеме в гору.
^

4.4. Энергетика мышцы


Теплота, выделяемая мышцей, и превращение энергии. Во время активации мышцы повышение внутриклеточной концентрации Са2+ ведет к сокращению и к усиленному расщеплению АТФ; при этом интенсивность метаболизма мышцы возрастает в 100 1000 раз. Согласно первому началу термодинамики (закону сохранения энергии), химическая энергия, высвобождаемая в мышце, должна быть равна сумме механической энергии (мышечной работы) и теплообразования. Даже в отсутст вие физически измеримой работы (например, во время устойчивого изометрического тетануса) происходит непрерывное преобразование химической энергии в тепловую (теплота изометрического сокращения) со скоростью, пропорциональной длительности тетануса и развиваемому напряжению. Даже изометрическое сокращение сопровождается непрерывной циклической активностью поперечных миозиновых мостиков, и «внутренняя» работа, связанная с расщеплением АТФ и теплообразованием, при этом значительна. Недаром даже такая «пассивная деятельность», как «стойка смирно», утомительна. Когда мышца поднимает груз, совершая «внешнюю» работу, расщепляется дополнительное количество АТФ. При этом усиление интенсивности метаболизма пропорционально выполненной работе (эффект Фенна).

^ Коэффициент полезного действия. Гидролиз одного моля АТФ дает примерно 48 кДж энергии. Однако лишь около 40-50% ее превращается в механическую энергию работы, а остальные 50-60% рас-

^ 84 ЧАСТЬ II. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

сеиваются в виде тепла при запуске (начальная теплота) и во время сокращения мышцы, температура которой при этом несколько повышается. Таким образом, к.п.д. элементарного преобразования АТФ в миофибриллах составляет примерно 40-50%. Однако в естественных условиях механический к. п. д. мышц обычно гораздо ниже - около 20-30%, так как во время сокращения и после него процессы, требующие затрат энергии, идут и вне миофибрилл. Эти процессы, например работа ионных насосов и окислительная регенерация АТФ, сопровождаются значительным теплообразованием (теплота восстановления). Чем больше совершенная работа, тем больше образуется тепла и расходуется энергоресурсов (углеводов и жиров) и кислорода. Такая закономерность, кстати, объясняет усталость, усиленное потоотделение и одышку при подъеме в гору, но не при спуске.

^ Энергетический метаболизм. Во время продолжительной равномерной мышечной активности происходит аэробная регенерация АТФ, главным образом за счет окислительного фосфорилирования. Необходимая для этого энергия выделяется в результате окисления углеводов или жиров. Вся система находится в состоянии динамического равновесия, при котором скорости образования и расщепления АТФ равны, так что внутриклеточные концентрации АТФ (≈ 5 мМ) и креатинфосфата (≈30 мМ) постоянны. При продолжительных спортивных нагрузках скорость расщепления АТФ в мышцах, от которой непосредственно зависит их мощность, часто в 100 или даже в 1000 раз больше, чем в состоянии покоя. Устойчивое состояние, а следовательно, и продолжительная нагрузка возможны, только если скорость ресинтеза АТФ в результате окислительного фосфорилирования возрастает параллельно его расходу. При этом потребление О2 мышечной тканью увеличивается в 50-100 раз по сравнению с состоянием покоя, потому что для образования 1 моля АТФ требуется примерно 1/6 моля О2. Соответственно повышается и скорость расщепления гликогена в мышце. Интенсивность ее работы может ограничиваться активностью митохондриальных ферментов, определяющей скорость окислительного расщепления глюкозы; эта активность достигает предела, например во время бега хорошо тренированного стайера со скоростью 6 м/с [3].

Предел, характерный для продолжительной работы, может быть превзойден при кратковременном усилии (например, при финальном спурте во время соревнований по бегу) за счет расщепления дополнительного количества гликогена анаэробным путем, т.е. посредством гликолиза (табл. 4.1). При этом АТФ образуется в 2-3 раза быстрее, а механическая энергия мышцы в 2-3 раза выше, чем при длительной работе, обеспечиваемой аэробными механизма-

ми. Спринтер может бежать почти вдвое быстрее (≈10 м/с) стайера. Предельное время для такой повышенной нагрузки составляет примерно 30 с из-за ограниченности ресурсов анаэробного метаболизма, необходимых для поддержания высокой скорости образования АТФ, а также вследствие накопления в клетке и крови молочной кислоты, образующейся при гидролизе АТФ; в конечном итоге развивается метаболический ацидоз, ограничивающий работоспособность и вызывающий утомление. Применение метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопии) теперь позволяет проследить in situ за связанными с утомлением изменениями внутриклеточного pH и накоплением таких метаболитов, как фосфат и АДФ в сердечной и скелетной мускулатуре. Анаэробные процессы необходимы для обеспечения энергией не только кратковременного экстремального усилия, но и в начале продолжительной мышечной работы, потому что адаптация скорости окисления (и гликолиза) к возросшей нагрузке требует некоторого времени. Равновесное состояние, когда путем окислительного фосфорилирования в единицу времени образуется столько же АТФ, сколько расщепляется АТФазой, наступает только через 0,5-2 мин («второе дыхание»).

До достижения этого динамического равновесия АТФ ресинтезируется по реакции Ломана из АДФ и креатинфосфата (табл. 4.1) со скоростью, позволяющей поддерживать внутриклеточный уровень АТФ практически постоянным:

АДФ + креатинфосфат = АТФ + креатин. В результате внутриклеточный уровень креатинфосфата падает до тех пор, пока скорость аэробного образования АТФ не вырастет настолько, что будет удовлетворять текущие потребности мышцы. Запас креатинфосфата обычно не пополняется до тех пор, пока не закончится сокращение и реакция Ломана не пойдет в обратном направлении; в первые минуты покоя требуемый для этого АТФ обеспечивается окислительным фосфорилированием, т.е. реакциями с потреблением О2. В результате, согласно Хиллу, покрывается кислородная задолженность (кислородный долг), которая, по Уилки, приблизительно соответствует количеству энергии, полученному анаэробным путем в начале или во время работы мышцы и еще не компенсированному за счет аэробного синтеза АТФ [3]. Кислородная задолженность, целиком обусловленная (анаэробным) гидролизом креатинфосфата, может достигать 4 л; образование энергии путем гликолиза во время предельного физического усилия (см. выше) способно увеличить ее до 20 л, поскольку для удаления образовавшейся и поступившей в кровь (до 1,5 г/л) молочной кислоты необходим О2. Часть лактата окисляется в миокарде, а некоторое его количество (преимущественно в печени) используется для синтеза гликогена.

ГЛАВА 4. МЫШЦА 85
^

4.5. Гладкая мышца


У гладкомышечных клеток веретеновидная форма, длина примерно 50-400 мкм и толщина 2— 10 мкм. Соединенные особыми межклеточными контактами (десмосомами), они образуют сеть с вплетенными в нее коллагеновыми волокнами. Из-за нерегулярного распределения миозиновых и актиновых нитей эти клетки лишены поперечной полосатости, характерной для сердечной и скелетной мускулатуры. Они также укорачиваются за счет скольжения миофиламентов относительно друг друга, но скорости скольжения и расщепления АТФ здесь в 100-1000 раз ниже, чем в поперечнополосатых мышцах. В связи с этим гладкие мышцы особенно хорошо приспособлены для длительного устойчивого сокращения, не приводящего к утомлению и значительным энергозатратам. Сократительное напряжение на единицу площади поперечного сечения у гладких и скелетных мышц часто одинаково (30-40 Н/см2), и при длительном сокращении они могут удерживать одинаковую нагрузку. Однако энергия, расходуемая при этом гладкой мышцей, если оценивать по потреблению О2, в 100-500 раз меньше [18].

^ Гладкие мышцы с миогенной (спонтанной) активностью. Во многих гладких мышцах кишечника (например, толстой кишки) одиночное сокращение, вызванное потенциалом действия, продолжается несколько секунд (рис. 4.15). Следовательно, сокращения с интервалом менее 2 с накладываются друг на друга, а при частоте выше 1 Гц сливаются в более или менее гладкий тетанус (тетанообразный «тонус»), который отличается от тетануса поперечнополосатых мышц только низкой частотой сливающихся одиночных сокращений и необходимых для этого потенциалов действия. Природа такого «тонуса» миогенная; в отличие от скелетной мускулатуры гладкие мышцы кишечника, мочеточника, желудка и матки способны к спонтанным тетанообразным сокращениям после изоляции и денервации и даже при блокаде нейронов интрамуральных ганглиев. Следовательно, их потенциалы действия не обусловлены передачей к мышце нервных импульсов, т.е. у них не нейрогенное, а миогенное происхождение (как в сердце).

^ Миогенное возбуждение возникает в клеткахритмоводителях (пейсмекерах), идентичных другим мышечным клеткам по структуре, но отличающихся электрофизиологическими свойствами. Препотенциалы, или пейсмекерные потенциалы, деполяризуют их мембрану до порогового уровня, вызывая потенциал действия. Из-за поступления в клетку катионов (главным образом Са2 + ) мембрана деполяризуется до нулевого уровня и даже на несколько миллисекунд меняет полярность до +20 мВ. За




Рис. 4.15. Спонтанный потенциал действия (верхняя запись) вызывает в изолированной мышце толстой кишки одиночное сокращение. Обработка ацетилхолином (стрелка) повышает частоту потенциалов действия, так что одиночные сокращения сливаются в тетанус. Нижняя запись -временной ход мышечного напряжения (по [5])

реполяризацией следует новый препотенциал, обеспечивающий генерирование следующего потенциала действия. Интервал между потенциалами действия пейсмекера зависит как от скорости деполяризации, вызываемой препотенциалами, так и от разницы между исходным мембранным и пороговым потенциалами. В опыте, представленном на рис. 4.15, исходный потенциал высок (примерно от —50 до — 70 мВ) и частота «разрядов» низка. При нанесении на этот препарат мышцы толстой кишки (ср. с. 355) ацетилхолина пейсмекерные клетки деполяризуются до околопорогового уровня, и частота потенциалов действия возрастает. Вызываемые ими сокращения сливаются до почти гладкого тетануса. Чем выше частота потенциалов действия, тем слитнее тетанус и тем сильнее сокращение, возникающее в результате суммации одиночных сокращений. И напротив, нанесение на тот же препарат норадреналина гиперполяризует мембрану и в результате снижает частоту потенциалов действия и величину тонуса. Таковы механизмы модуляции спонтанной активности пейсмекеров вегетативной нервной системой и ее медиаторами.

^ Возбуждение распространяется по гладкой мышце через особые «щелевые контакты» (нексусы) между плазматическими мембранами сопредельных мышечных клеток. Эти области с низким электрическим сопротивлением обеспечивают электротоническую передачу деполяризации от возбужденных клеток к соседним. Как только местный ток, протекающий через нексус, деполяризует мембрану до порогового уровня, возникает потенциал действия, который в свою очередь вызывает возбуждение в других электротонически сопряженных клетках. Таким образом, активность распространяется по всей мышце со скоростью около 5-10 см/с, и мыш-

^ 86 ЧАСТЬ II ДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАТИВНЫЕ ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ



Рис. 4.16. Ритмическая активность гладких мышц. А. Мускулатура привратника желудка; ритмичные волны деполяризации мембраны с накладывающимися на них «залпами спайков» (верхняя запись) вызывает флуктуации тонуса мышцы (нижняя запись). Б. Электрическая активность (верхняя запись) и ритмичные сокращения (нижняя запись) мышцы толстой кишки (по [6] с изменениями)

ца ведет себя как единая функциональная единица, почти синхронно воспроизводя активность своего пейсмекера.

^ Миогениые ритмы. Флуктуации миогенного тонуса с периодами по нескольку секунд или минут обусловлены спонтанными изменениями активности пейсмекерных клеток. Когда мембрана такой клетки деполяризована в течение нескольких секунд или минут, возникает разряд потенциалов действия, ведущий к тетаническому сокращению.

Голенхофен [6] различает здесь относительно короткие органоспецифичные и более длительные минутные ритмы («медленные волны»). В гладких мышцах привратника желудка (рис. 4.16, Л) эти волны короче и четче, чем в мышцах толстой кишки (рис. 4.16, Б). Пока неясно, обусловлены ли медленные колебания мембранного потенциала (волны деполяризации) ритмичной активностью электрогенного натриевого насоса.

^ Реакции гладких мышц на растяжение. В отличие от скелетных мышц большинство гладких при растяжении часто ведут себя не как более или менее упругие, а как пластичные или вязкоупругие тела. После начального роста напряжения, обусловленного упругими свойствами, они становятся пластично податливыми; во время этой следующей за растя-




Рис. 4.17. А. Вязкоупругие свойства гладкой мышцы. При растяжении (стрелка) ее напряжение резко возрастает, но затем в результате пластичной или вязкоупругой податливости квазизкспоненциально падает. Б-Д. Сокращение гладкой мышцы, вызываемое ее растяжением. Записи мембранного потенциала в отдельной клетке (черные пинии) и силы, развиваемой полосой мышцы толстой кишки (красные пинии) до (Б) и после (В Д) увеличивающегося пассивного растяжения [5]. Б. Препарат до начала растяжения; одиночные сокращения, следующие за низкочастотными потенциалами действия. В-Д. Растяжение вызывает разряды потенциалов действия; одиночные сокращения сливаются, образуя зубчатый (В. Г) или гладкий (Д) тетанус

жением фазы напряжение сначала быстро, а затем медленнее падает (рис. 4.17). Благодаря своей пластичности гладкая мышца может быть полностью расслаблена как в укороченном, так и в растянутом состоянии. Например, пластичность мочевого пузыря по мере его наполнения предотвращает избыточный рост внутрипузырного давления.

Во многих случаях сильное растяжение ведет к активации сокращения (рис. 4.17), накладывающегося на только что описанный пассивный процесс. Оно обусловлено нарастающей при растяжении мышцы деполяризацией пейсмекерных клеток, которая повышает частоту потенциалов действия. Как говорилось выше, повышение частоты разряда усиливает сокращение. Сокращение, активируемое растяжением, играет важную роль в ауторегуляции тонуса артериол (с. 528), а также обеспечивает автоматическое опорожнение наполнившегося мочевого пузыря в тех случаях, когда нервная регуляция этого процесса отсутствует в результате повреждения спинного мозга.

^ ГЛАВА 4. МЫШЦА 87

Гладкие мышцы, не обладающие спонтанной активностью. У гладких мышц артерий, семенных протоков, радужки, а также у ресничных мышц спонтанная активность обычно слабая или ее вообще нет. В отличие от мышц кишечника природа их активности часто не миогенная, а нейрогенная, т. е. обусловлена импульсами, которые поступают к этим мышцам по вегетативным нервам. Такие особенности обусловлены структурной организацией их ткани. Хотя клетки в ней электрически связаны нексусами, многие из них образуют прямые синаптические контакты с иннервирующими их аксонами (ср. с. 351). Медиаторы, высвобождаемые при поступлении нервного импульса, достигают путем диффузии эффекторных клеток и активируют их. При этом в мышечных клетках, например артериол или семенных протоков, возникают нейрогенные препотенциалы, за которыми следуют потенциалы действия, вызывающие тетанообразное сокращение. Нанесенный прямо на изолированную мышцу сосуда норадреналин вызывает стойкое сокращение (контрактуру): мембрана клетки (исключениегладкие мышцы легочных и ушных артерий) деполяризуется на весь период действия этого медиатора.

^ Электромеханическое сопряжение. Возбуждение гладкомышечных клеток вызывает либо увеличение входа Са2+ через потенпиалзависимые кальциевые каналы клеточной мембраны, либо высвобождение Са2+ из саркоплазматического ретикулума под влиянием внутриклеточного «второго посредника» инозитолтрифосфата. В обоих случаях повышается концентрация Са2+ в саркоплазме и, следовательно, активируются сократительные структуры. Подобно сердечной и скелетной мускулатуре, гладкие мышцы всегда расслабляются при падении внутриклеточной концентрации Са2+ ниже 107 М. Однако их расслабление происходит гораздо медленнее, поскольку скорость поглощения ионов Са2+ саркоплазматическим ретикулумом или удаления их через клеточную мембрану здесь ниже. Удаление Са2+ приводит к расщеплению фосфатазой функционально важной фосфатной группы миозина. Его дефосфорилированные головки теряют способность образовывать поперечные мостики с актином. В начале сокращения ионы Са2+. высвобожденные из саркоплазматического ретикулума, активируют при участии Ca2+-связывающего белка кальмодулина особый фермент-киназу легких цепей миозина, переносящий фосфатную группу с АТФ на миозин. Такое фосфорилирование запускает взаимодействие актина с миозином, а значит, и сокращение. Пока неясно, участвуют ли в регуляции сокращения гладкой мышцы другие кальциевые «переключатели». Не выяснено также, каким образом образующиеся в гладкомышечных клетках цАМФ и цГМФ вызыва-

ют понижение их тонуса. Возможно, цАМФ ингибирует активность киназы легких цепей миозина или усиливает поглощение Са2+ саркоплазматическим ретикулумом. С другой стороны, вполне вероятна роль цГМФ как внутриклеточного посредника в расслаблении гладких мышц сосудов, которое индуцируется расслабляющим фактором эндотелия [3].

4.6. Литература


Учебники и руководства

  1. Hasselbach W. Muskel. In: Gauer О. Η., Kramer К., Jung R. (eds.). Physiologie des Menschen, vol. 4, Muskel. München Berlin-Wien, Urban u. Schwarzenberg, 1975.

  2. Peachey L.D., Adrian R.H.. Geiaer S. R. (eds.). Handbook of Physiology, Section 10. Skeletal Muscle, American Physiol. Soc. Bethesda, 1983.

2a. Rücgg J.C. Calcium in Muscle Activation, Berlin-Heidelberg-New York, Springer, 1986. Corrected second printing 1988.

3. Wilkie D. R. Muscle. Second edition, London, Edward Arnold Limited, 1976.

Оригинальные статьи и обзоры

  1. Blinks J. R.. Rudel R., Taylor S. R. Calcium transients in isolated amphibian skeletal muskle fibres. Detection with aequorin. J. Physiol., 277, 291-323 (1978).

  2. Bulbrina E., Brading A. F.. Jones A. W, Tomita T. Smooth Muscle! London, Edward Arnold, 1970.

  3. Golenhofen K. Die myogene Bisis der glattmuskulären Motorik. Klin. Wschr.. 56, 211-244 (1978).

  4. Gordon A.M., Huxley A.F., Julian F.J. The variation in isometric tension with särcomere length in vertebrate muscle fibres, J. Physiol. (Lond.), 184, 170 (1966).

  5. Husselbach W, Makino.se J. Über den Mechanismus des Calciumtransports durch die Membranen des sarkoplasmatischen Reticulums, Biochem. Z., 339, 94 (1963).

  6. Huxley A. F., Taylor R. E. Local activation of striated muscle fibres, J. Physiol. (Lond.), 144. 426 (1958).




  1. Huxley A.F. Muscular contraction, J. Physiol., 243. 1-43 (1974).

  2. Huxley Ή. E., Hanson J. Changes in the cross-striation of muscle during contraction and stretch and their structural interpretation, Nature, 173, 973 (1954).

  3. Huxley H.E. The mechanism of muscular contraction, Science, 164, 1356 (1969).

  4. Huxley H.E. Structural changes in the actin and myosin containing filaments during contraction. Cold. Spr. Harb. Symp. Quant. Biol., 37, 361 (1973).

  5. Huxley H.E., Simmons R.M.. Faruki A. R., Kress M., Bordas J., Koch M.H.J. Msec time resolved change in X-ray reflections from contracting muscle during rapid mechanical transients, recorded using synchrotron radiation. Prot Natl. Acad. Sei., USA, 78, 2297 (1981).

  6. Infante A.A., Davies R.E. Adenosintriphosphate breakdown during a single isotonic twitch of frog sartouorious muscle. Biochem. Biophys. Res. Commun, 9. 410 (1962).

  7. Jewell B.R., Wilkie D.R. The machanical properties of relaxing muscle. J. Physiol. (Lond.), 152, 30-47 (1960).

  8. Mannherz H.G., Schirmer R.H. Die Molekularbiologie der Bewegung. Chemie in unserer Zeil, 6, 165-202 (1970).

  9. RüeggJ.C. Smooth muscle tone. Physiol Rev., 51. 201 (1971).

  10. Weber H.H., Porlzchl Η. The transference of the muscle energy in the contraction cycle. Progr. Biophys. Mol. Biol., 4, 61 (1954).

  11. Wilkie D. R. The relation between force and velocity in human muscle. J. Physiol., 110, 249 280 (1950).
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   36

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:

Похожие:

Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconОбщеобразовательная программа дошкольного образования Авторский коллектив
Н., канд пед наук, Дякина А. А., доктор филол наук, Евтушенко И. Н., канд пед наук, Каменская В....
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconИ иммунотерапия инфекционных заболеваний
Авторы: канд мед наук, доц. Т. А. Канашкова; канд мед наук, доц. Ж. Г. Шабан; канд мед наук, доц....
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconБвк 56. 8 А 92
Ц, канд мед наук Н. С. Дмитриев, проф С. Н. Лапченко, проф. В. Т. Пальчун, проф. О. К. Патякина,...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconФлюороз зубов
Авторы: асс. Н. П. Руденкова; канд мед наук О. А. Козел; канд мед наук Н. И. Дмитриева; канд мед...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconКафедра стоматологии детского возраста
Авторы: д-р мед наук, профессор Т. Н. Терехова, канд мед наук, доцент А. Н. Кушнер, канд мед наук,...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconУчебно- методическое пособие утверждено на цикловой методической комиссии стоматологического факультета
В. Ф. Михальченко, доктор мед наук, доцент Э. С. Темкин, канд мед наук, ассистент Н. М. Морозова,...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМетодические рекомендации Минск 2003 Удк 613. 6(075. 8)
А в т о р ы: канд мед наук, доц. В. И. Дорошевич; полк мед служ. Ю. Ю. Варашкевич; канд мед наук...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМ. А. Тучинская*, канд мед наук; Салех С. Х. Нажар*; О. И. Шушляпин*, канд мед наук; Л. Л. Мищенко*;
Патофизиологическая природа и патогенетическая коррекция реперфузионного синдрома c реперфузионным...
Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМэгид С. Михаил Перевод с английского под редакцией академика pamh а. А. Бунятяна, Издательство бином

Перевод с английского канд мед наук Н. Н. Алипова, канд биол наук Н. Ю. Алексеенко, д-ра биол наук М. А. Каменской, канд биол наук О. В. Левашова, канд биол наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией акад. П. Г. Костюка iconМетодические рекомендации Минск 2004 удк
Р е ц е н з е н ты, доцент кафедры микробиологии, вирусологии и иммунологии, : канд мед наук Н. Ф....
Разместите кнопку на своём сайте:
Медицина


База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
Документы