10.5.3. Саркоплазматический ретикулум

 

В дополнение к внутриклеточным мембранам, формирующим   систему Т–трубочек, в мышцах есть еще одна мембранная система, называемая саркоплазматическим ретикулумом  (СР). Он обволакивает наподобие полой  манжеты  отдельно каждую  миофибриллу  от одной Z–пластинки до  другой (см. рис. 10–17). СР, окружающий каждый  отдельный саркомер, состоит из ограниченного мембраной отсека, отделенного от миоплазмы.  Терминальные (концевые) цистерны саркоплазматического ретикулума двух соседних саркомеров вступают в тесный контакт с Т–трубочкой и  как бы стискивают ее между собой. Электрический сигнал, поступающий в Т–трубочку, приводит к высвобождению   Cа²⁺ из СР.

                С чего начинается поступление Са²⁺ в СР? Если мембраны  СР выделить с помощью  фракционирования, они образуют  микроскопические везикулы диаметром  1 мкм. Везикулы способны поглощать кальций из окружающей  среды. Если к ним добавить щавелевую кислоту, то внутри везикул по мере увеличения в них концентрации Са²⁺ будет осаждаться оксалат кальция. Это говорит об активном транспорте кальция мембраной ретикулума. В нефракционированной  мышечной ткани осадок оксалата кальция можно обнаружить с помощью электронного микроскопа  в терминальных  цистернах. Способность СР  к накоплению кальция довольно высокая, что обеспечивает поддержание концентрации свободного Са²⁺ в саркоплазме расслабленной мышцы  ниже  10^–7 М. Этот уровень Cа²⁺ достаточен для разрушения связи кальция с тропонином и предотвращения  сокращения. Способность СР поглощать Cа²⁺ из миоплазмы зависит от активности молекул кальциевого насоса. На электронных микрофотографиях,  полученных методом  замораживания–скалывания,  молекулы  насоса  плотно прижаты («плечом к плечу») в мембранах, формирующих  продольные элементы СР (см. рис. 10–17). Как  и в других активных транспортных системах, в качестве источника энергии кальциевый насос СР использует АТР.

 

10.5.4. Высвобождение кальция саркоплазматическим ретикулумом

 

Как только стало известно, что в СР накапливаются ионы  кальция, исследователи начали склоняться к мысли о том, что мышечное сокращение инициируется Са²⁺, высвобождаемым в саркоплазму  из внутренней среды цистерн СР. Первое прямое доказательство увеличения пула свободного саркоплазматического Cа²⁺ в ответ на стимуляцию получено фотометрическим методом с использованием чувствительного к кальцию белка экворина. Когда молекула   экворина присоединяет три иона кальция, она излучает фотон видимого света. Экворин вводили в крупное невозбужденное волокно мышцы гигантского усоногого рака и с помощью фотоумножителя наблюдали,   как   меняется  испускание  света (рис. 10–19, А) при поступлении кальция в мышечное волокно через мембрану и высвобождении его из СР во время возбуждения. Деполяризация мышечной мембраны  происходила ступенчато, потому что отсутствовал ПД, подчиняющийся закону «все или ничего»; это позволило исследователям то усиливать. то уменьшать степень деполяризации в зависимости от количества вводимого препарата. При достаточной степени поляризации ее начало сопровождалось испусканием света, которое наблюдали до появления роста усилия (напряжения), регулируемого в мышечном  волокне (рис. 10–19, Б). Увеличение интенсивности или длительности деполяризации вело к усилению испускания света (указывая на более высокую концентрацию  кальция) и одновременно к росту развиваемого усилия (рис. 10–19, В). Таким образом, сила, развиваемая мышечным  волокном в ответ на деполяризацию мембраны, прямо коррелирует с кратковременными повышениями содержания свободного Са²⁺ в миоплазме.

 

Рис.10.19. Метод наблюдения за высвобождением внутриклеточного Са²⁺ в мышечном волокне при введении светочувствительного белка экворина. А. Фотоумножитель регистрирует испускание света, вызываемое реагированием Са²⁺ с экворином. Усиление, развиваемое мышечным волокном во время сокращения, измеряется с помощь тензодатчика.(Ashley,1971). Б. Импульс подводимого тока (1), вызывающий постепенно нарастающую деполяризацию поверхностной мембраны (2). Это инициирует световой сигнал со стороны кальцийчувствительного экворина (3) и развитие мышечного усилия (4).  (Ashley,Ridgway,1970). В. Усилие, генерируемое в ответ на деполяризующий ток в мышечном волокне ракообразных, тесно коррелирует с общим количеством испускаемого экворином света, которое в свою очередь пропорционально квадрату концентрации свободного саркоплазматического Са²⁺(Ashley,Ridgway,1970)

 

 

                Итак, мы  знаем, что сокращение активируется кальцием, высвобожденным из СР, а поверхностный электрический сигнал, т. е. ПД, поступает в глубокие области мышечного  волокна с помощью  Т–трубочек. Более того, Т–трубочки образуют тесные контакты (см. рис. 10–17) с концевыми цистернами саркоплазматического ретикулума. Но как электрический сигнал из Т–трубочек передается в СР, давая команду к высвобождению  Са²⁺ в ответ на деполяризацию   Т–трубочки, долгое время   оставалось загадкой. Сейчас, кажется, на этот важный вопрос можно ответить. Очевидно, что при деполяризации Т–трубочек сигнал доставляется к концевым цистернам  СР  посредством внутриклеточных  молекул–посредников. Недавние исследования, проведенные в Калифорнийском   университете (Vergara и др., 1985), показали, что высвобождение Са²⁺ из СР и последующее сокращение одиночного  поперечного волокна могут индуцироваться инозитол–1,4,5–трифосфатом (ИФ₃). Это внутриклеточная молекула–посредник, образующаяся при разложении  связанного с мембраной фосфатидилинозитола, которая, как известно, стимулирует высвобождение Са²⁺ из внутриклеточных хранилищ в некоторых тканях (см. разд. 9.4). В отношении мышц есть сведения, что вещества, блокирующие образование ИФ₃, нарушают  сопряжение процессов сокращения волокна и деполяризации мембран.  Показано, что такие вещества мешают   нормальному  высвобождению Cгi²⁺ из СР в ответ на электрическое возбуждение мышцы.  И  наконец, вещества, блокирующие ферментативное разложение ИФз, напротив, усиливают эффективность ИФз в инициации сокращения мышечного волокна. Такого рода данные послужили поводом для возникновения гипотезы, утверждающей, что деполяризация Т–трубочек вызывает образование ИФ₃,  а  уже затем ИФ₃   действует как внутриклеточный посредник, индуцирующий высвобождение Cа²⁺ из СР (рис. 10–20). Согласно этой гипотезе, начальная стадия сопряжения процесса «возбуждение – сокращение» сопровождается распространением возбуждения по поверхности системы  Т–трубочек и представляет собой активацию чувствительных к электрическому напряжению ферментов, расположенных на мембране данных  трубочек рядом  с концевыми  цистернами  СР. Эти гипотетические ферменты, по–видимому, столь же чувствительны к изменению  электрического поля мембраны,  как натриевый канал (см. разд. 5.6.2), и реагируют на это изменение конформационным сдвигом. Вызванный деполяризацией мембраны конформационный  сдвиг переводит фермент из неактивной формы  в активную. И уже этот активный фермент прямо или косвенно определяет образование ИФ₃.  Затем ИФз  диффундирует на  короткое расстояние и достигает мембраны концевой цистерны  СР, где, связавшись с рецептором, заставляет открываться кальциевые каналы.  Ионы  кальция, скопившиеся в относительно высокой концентрации в просвете СР, продолжают выходить наружу до тех пор, пока не произойдет ферментативное разрушение ИФз и каналы не закроются. Потом с помощью активного транспорта высвобожденные из СР ионы кальция возвращаются на прежнее место.

 

Рис. 10.20. Передача сигнала от Т–трубочки к СР. Схема предложена на базе современных данных, согласно которым деполяризация Т–трубочки активирует связанную с мембраной фосфодиэстеразу (ФДЭ),  вызывающую образование инозитол–1,4,5–трифосфата (ИФ₃) и диацилглицерола (ДГ) при гидролизе связанной с мембраной молекулы фосфатидилинозитола. ИФ₃  диффундирует к концевой цистерне, где он связывает и активирует рецепторы, которые открывают  Са²⁺–каналы в мембране СР. Все это позволяет ионам кальция быстро выходить в миоплазму и активировать сокращение.