Механизм мышечного сокращения
В первую очередь остановимся на особенностях нервно-мышечного синапса. Этот синапс отличает:
Большая поверхность пресинаптической мембраны.
Медиатор в нервно-мышечных синапсах - ацетилхолин
Большая складчатость постсинаптической мембраны, что увеличивает ее поверхность и количество мембранных рецепторов.
Рецепторы постсинаптической мембраны - никотиновые холинорецепторы
Нет суммации – ВПСП, который в нервно-мышечном синапсе называется потенциал концевой пластинки, ПКП сразу переходит в ПД, который распространяется по мембране мышечного волокна в соответствии с законами распространения ПД.
Рисунок 31
Вверху: Изменение мембранных потенциалов в терминали аксона мотонейрона, на постсинаптической мембране мышечного волокна, на мембране мышечного волокна
Внизу: механизм выделения ацетилхолина
и активация натриевых каналов.
Ацетилхолин, который является медиатором в таких синапсах, после синтеза заключается в мембрану и образует гранулы, одна гранула может содержать до 20000 молекул Ах. В покоящемся синапсе постоянно выделяется небольшое количество медиатора, который достигая постсинаптической мембраны вызывает миниатюрные потенциалы в пределах 5 – 10мв. Такие потенциалы поддерживают возбудимость мембраны. При деполяризации пресинаптической мембраны, когда ПД по нервному волокну достигает окончания аксона, происходит активация потенциал-зависимых Са-каналов. Именно поступивший в терминаль аксона кальций, активируя особые, кальций-связывающие белки – синапсины, активирует экзоцитоз гранул медиатора в синаптическую щель. Ацетилхолин выделяется в синаптическую щель и взаимодействует с Н-холинорецепторами постсинаптической мембраны. Рецепторы представляют собой интегральные белки, состоящие из 5 субъединиц, расположенных вокруг натриевого ионного канала. Активация канала происходит при взаимодействии молекулы Ах с рецептором, при этом канал открывается и начинает пропускать ионы натрия (рис 6).
На рисунке 31внизу представлены этапы генерирования импульса возбуждения в мышечном волокне, а на рисунке 31 вверху изменения мембранных потенциалов пресинаптической мембраны, постсинаптической и возникновение ПД на мембране мышечного волокна.
Этапы возбуждения мышечного волокна:
Распространение ПД по нервному волокну от тела мотонейрона до синаптического окончания. Возникшая в результате деполяризация открывает потенциал-зависимые Са++ каналы в терминали аксона (пресинаптическая мембрана). Ионы Са++ поступают в клетку по градиенту концентрации.
Ионы Са++ , взаимодействуя со специальными белками – синапсинами, активируют экзоцитоз гранул с медиатором.
Ацетилхолин выделяется в синаптическую щель и взаимодействует с никотиновыми холинорецепторами (Н) на мембране мышечного волокна (постсинаптическая мембрана). Избыток медиатора разрушается АХ холинэстеразой до уксусной кислоты и холина. Связывание АХ с рецепторами приводит к открытию каналов для ионов, в результате ион натрия поступает в клетку, происходит деполяризация мембраны и возникает потенциал концевой пластинки (ПКП).
Потенциал действия возникает на соседнем участке мембраны в том случае, если разность потенциалов между зарядом мембраны на этом участке и на постсинаптической мембране достигнет такой величины, чтобы деполяризовать мембрану до критического уровня деполяризации. Как правило, в нервно-мышечных синапсах амплитуда ПКП всегда высока, не требует суммации и а всегда вызывает ПД.
ПД быстро распространяется по всей мембране мышечного волокна.
Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине клетки (электромеханическое сопряжение) включает в себя несколько последовательных процессов, ключевую роль в которых
играют ионы Ca++. Прежде, чем обсуждать роль ионов кальция в сокращении, остановимся на строении и функциональной характеристике сократительных и регуляторных белков саркомера.
Структурно-функциональная единица миофибриллы мышечного волокна – саркомер - содержит толстые и тонкие миофиламенты. Толстые миофиламенты образованы молекулами миозина, которые имеют четыре легкие цепи миозина и две тяжелые цепи, скрученные между собой. Тяжелые цепи миозина образуют головку миозина и шейку. Головка обладает АТФ-азной активностью, а шейка эластическими свойствами. В толстой филаменте 150 молекул миозина. Под электронным микроскопом на толстой миофиламенте видны выступы, расположенные под углом 120 градусов. Они получили название поперечных мостиков. Выяснилось, что эти мостики образованы головкой и шейкой молекул миозина, их длина 20 нм.
Рисунок 32 Уровни организации скелетной мышцы
Тонкие миофиламенты построены из глобулярных молекул белка актина. Мономеры актина взаимодействуют между собой и образуют фибриллярный актин. Актиновые филаменты представляют собой закрученную двойную спираль (похоже на две связки бус, которые перекручены с шагом в 14 молекул, примерно 36,5нм). Таких нитей в саркомере 2000. Эти нити одним концом прикреплены к - пластинке, а второй конец достигает середины саркомера.
В продольных бороздках актиновой спирали располагаются нитевидные молекулы белка тропомиозина. Тропомиозин закрывает активные центры на актиновых нитях. К молекуле тропомиозина равномерно прикреплены молекулы тропонина. Этот белок может связывать катионы Са++
Актин и миозин – это сократительные белки, а тропонин и тропомиозин – регуляторные.
На рисунке 33: а) Тропонин - тропомиозиновый комплекс закрывает активные центры на молекуле актина. б) При повышении концентрации ионов Са++ с 10-8 до 10-5 моль молекула тропонина, чувствительная к Са++, меняет свою конформацию так, что выталкивает тропомиозин и освобождает активные участки на молекуле актина. Головки миозина прикрепляются к активным участкам тонкой миофиламенты, в этот момент резко меняется положение головки миозина и она совершает гребковое движение. Благодаря этому тонкая миофиламента протягивается по направлению к центру саркомера примерно на 10 нм, происходит сближение Z полосок и укорочение мышцы.
Обратите внимание на использование энергии АТФ в циклических гребковых движениях (рис.35). После завершения гребкового движения положение головки изменилось. Присоединение АТФ сопровождается отщеплением головки от актиновой миофиламенты, затем происходит гидролиз АТФ, высвобождение энергии и возвращение головки миозиновой молекулы в исходное состояние. Головка вновь готова к контакту, однако соединяется уже со следующим активным центром, и протягивает его с помощью очередного гребка. Таким образом, циклические движения тысяч головок миозина протягивают тонкие миофиламенты вдоль толстых.
На рисунке 34 представлен механизм повышения концентрации ионов кальция в цитоплазме и их роль в освобождении активных центров на молекулах актина. В результате становится возможен контакт головки миозина с тонкой миофиламентой. Гребковые движения, которые циклически выполняет головка с шейкой миозина обеспечивают передвижение актиновых нитей относительно миозиновых, сближаются Z- полоски, мышца укорачивается.
Рисунок 33 Роль регуляторных белков в сокращении мышц
Рисунок 34 Роль кальция в сокращении мышц
Рисунок 35 Циклические движения головки миозина с использованием АТФ
