Лекция 7.

Тема: БИОХИМИЯ МЫШЦ И МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

Вопросы:

1. Общая характеристика мышц. Строение мышечных клеток.

2. Строение миофибрилл.

3. Механизм мышечного сокращения и расслабления.

1. Общая характеристика мышц. Строение мышечных клеток.

Учение о мышцах – это важнейший раздел биохимии, имеющий исключительное значение для спортивной биохимии.

Важнейшей особенностью функционирования мышц является то, что в процессе мышечного сокращения происходит непосредственное превращение химической энергии АТФ в механическую энергию сокращения мышц. Это явление не имеет аналогов в технике и присуще только живым организмам.

При изучении скелетных мышц с помощью светового микро­скопа в них обнаружили поперечную исчерченность; отсюда их название поперечно-полосатые.

В скелетной мышце выделяют сухожильную головку, которой мышца начинается на кости, мышечное брюшко, состоящее из волокон, и сухожильный хвост, которым мышца заканчивается на другой кости (рис.).

Мышечное волокно — структурная единица мышцы. Известны три типа мышечных волокон: белые быстро сокращающиеся (VT), промежуточные (FR) и медленно сокращающиеся (ST). Биохи­мически они различаются механизмами энергетического обес­печения мышечного сокращения. Их иннервируют разные мотоней­роны, чем обусловлены неодновременность включения в работу и различная скорость сокращения волокон. Разные мышцы имеют разное сочетание типов волокон.

Мышечные волокна

Сухожилие

Рисунок. Мышца

Каждая мышца состоит из нескольких тысяч мышечных воло­кон, объединяемых соединительными прослойками и такой же оболочкой. Мышца представляет собой многокомпонентный комплекс. Чтобы разобраться в строении мышцы следует изучить все уровни ее организации и структуры, входящие в ее состав.

Мышечная ткань в организме взрослого человека составляет более 40 % от массы тела. Работа мышц обеспечивает все виды движения: перемещение тела в пространстве, дыхание, кровообращение, перестальтику органов пищеварения и другие физиологические функции.

У животных и человека два основных типа мышц: поперечнополосатые и гладкие, причём поперечнополосатые мышцы делятся на два вида – скелетные и сердечные. Сердечная мышца построена из поперечно – полосатой мышечной ткани. Исходные клетки сердечной мышечной ткани — кардиомиобласты характеризуются рядом признаков: клетки уплощены, содержат крупное ядро, светлую цитоплазму, бедную рибосомами и митохондриями.Кардиомиоциты имеют вытянутую прямоугольную форму. Длина рабочих кардиомиоцитов составляет 50-120 мкм, а ширина — 15-20 мкм. Одно-два ядра располагаются в центре клетки. Периферическую часть цитоплазмы кардиомиоцитов занимают поперечноисчерченные миофибриллы, аналогичные таковым в симпластах скелетномышечного волокна. Однако каналы саркоплазматической сети и Т-системы менее отчетливо выражены. Кардиомиоциты отличаются большим количеством митохондрий, расположенных тесными рядами между миофибриллами. Снаружи миоциты покрыты сарколеммой.

Работа сердечной мышцы не подчиняется нашему сознанию.

Гладкие мышцы построены из одноядерных клеток. Гладкие мышцы характерны для внутренних органов, кровеносных сосудов. Гладкомышечные клетки лежат в виде параллельно ориентированных пучков, расстояние между ними заполнено коллагеновыми и эластическими волокнами, фибробластами, питающими магистралями. Сокращаются они медленно и несильно, но долго могут находиться в тонусе. Их называют «непроизвольными», так как сознанием они не контролируются. В гладкой мышцы отсутствуют саркомеры.

Каждая поперечно – полосатая мышца состоит из нескольких тысяч мышечных клеток (волокон), имеющих длину от 0,1 до нескольких сантиметров, а толщина от 0,01 до 0,2 мм.

Поперечнополосатые мышцы состоят из тысяч мышечных клеток – волокон. Мышечная клетка содержит полный набор органоидов, характерный для любой живой клетки, и кроме того, имеет органоиды специального назначения – миофибриллы (сократительные волоконца). Рассмотрим строение и функции органоидов, принимающих участие в мышечном сокращении.

Волокна объединены соединительно-тканными прослойками и такой же оболочкой – фасцией. Мышечные волокна – миоциты - представляют собой сильно вытянутые многоядерные клетки гигантских размеров от 0,1 до 10 см длиной и толщиной около 0,1 – 0,2 мм.

Миоцит состоит из всех обязательных компонентов клетки. Особенностью мышечного волокна является то, что внутри эта клетка содержит большое количество сократительных элементов – миофибрилл. Как и другие клетки тела миоциты содержат ядро, причем, у клеток поперечнополосатых мышц ядер несколько, рибосомы, митохондрии, лизосомы, цитоплазматическую сеть.

Сарколемма – белково – липидная мембрана, ограничивающая мышечную клетку. Ее прочность и эластичность определяется волокнами белков коллагена и эластина, образующими на поверхности волокна густую сеть. Они относятся к белкам стромы – миостроминам. Сарколемма не только отграничивает мышечное волокно от окружающей среды, но и реализует и избирательно регулирует обмен веществ между этой средой и волокном. Мембрана имеет электрический заряд – мембранный потенциал покоя (90-100 мВ), обусловленный разностью концентрации ионов калия между внутренним и внеклеточным пространством мышечного волокна. На поверхности сарколеммы располагаются нервные двигательные окончания и кровеносные капилляры.

Особо следует выделить в саркоплазматической сети пузырьки, называемые цистернами. Они содержат большое количество ионов кальция. С помощью специального фермента кальций накачивается в цистерны. Этот механизм называется кальциевым насосом и необходим для сокращения мышцы.

Цитоплазматическая сеть называется в этих клетках саркоплазматической сетью (reticulum sarcoplasmaticum). Она связана с помощью особых трубочек, называемых Т-трубочками, с клеточной мембранной – сарколеммой.

Саркоплазматический ретикулум (SR) – система трубочек, мембран и пузырьков, которые соединяют все органоиды, участвует в транспорте веществ, распространении нервного возбуждения от сарколеммы внутрь мышечного волокна, депонирует ионы кальция и обеспечивает их движение при сокращении и расслаблении мышцы. На поверхности SR – ретикулума идет синтез белков, жиров и углеводов.

Цитоплазма или саркоплазма миоцитов – белковая коллоидная система, заполняющая внутреннее пространство мышечной клетки. Саркоплазма – белковая коллоидная система, заполняющая внутреннее пространство мышечной клетки. Участвует в обмене веществ и в ней располагаются все органоиды.

Саркоплазма содержит большое количество белков. Здесь немало активных ферментов, среди которых важнейшими являются ферменты гликолиза, креатинкиназа. Немалое значение имеет белок миоглобин, сохраняющий кислород в мышцах.

Кроме белков в цитоплазме мышечных клеток содержатся фосфогены – АТФ, АДФ, АМФ, а также креатинфосфат, необходимые для нормального снабжения мышцы энергией.

Основной углевод мышечной ткани – гликоген. Его концентрация достигает 3%. Свободная глюкоза в саркоплазме встречается в малых концентрациях. В тренируемых на выносливость мышцах накапливается запасной жир.

Как уже указывалось, снаружи сарколемма окружена нитями белка – коллагена. Благодаря этому мышечное волокно растягивается и возвращается в исходное состояние за счет упругих сил, возникающих в коллагеновой оболочке. Поперечнополосатые мышцы быстро и мощно сокращаются, но долго в тонусе находиться не могут. Их называют «произвольные», так как они контролируются сознанием.

Митохондрии – энергетические станции клетки, работающие в аэробных условиях. Продукт их работы – молекулы АТФ.

По химическому составу мышечная ткань на 72-80% состоит из воды, 20-28% приходится на сухой остаток, включающий 16-21% белков и 3-4% небелковых (экстрактивных) веществ.

Белки мышечной клетки делятся на:

- белки сарколеммы – липопротеиды, коллаген и эластин;

- белки саркоплазмы – альбумины и глобулины. Среди них преобладают ферменты реакций анаэробного окисления;

- белки ядер – нуклеопротеиды;

- белки митохондрий, регулирующие процессы аэробного окисления белков, жиров и углеводов;

- белки миофибрилл – актин, миозин, тропомиозин, тропонин, актинины - являются сократительными белками.

К экстрактивным веществам относятся:

- азотсодержащие соединения – креатин, свободные аминокислоты, дипептиды: ансерин и карнозин, трипептид: глутатион, мочевина, мочевая кислота;

- фосфорные соединения – АТФ, креатинфосфат и другие макроэрги, коферменты НАД и ФАД, ДНК и РНК (рРНК, иРНК, тРНК);

- углеводы – гликоген, глюкоза и промежуточные продукты их обмена: фосфорные эфиры гексоз, триоз, пировиноградная и молочная кислоты;

- липиды – нейтральные жиры, фосфолипиды, холестерин и продукты их обмена;

- минеральные соли в виде катионов (К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и др.) и анионов (Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, HPO₄^2-, H₂PO₄^- и др.), на долю минеральных веществ приходится 1- 1,5% от мышечной массы. Ос­новными химическими элементами мышечной ткани являются К⁺, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺, CI^-.