Регуляція скоротливої діяльності гладкою. Регуляція скорочення гладкої м'язи. Припинення скорочення гладкої м'язи Регуляція гладкою м'язової тканини тільки нервовою системою
Загальні уявлення про будову різних м'язів
Багато клітини мають обмежену здатність перетворювати хімічну енергію в механічну силу і рух, але тільки в м'язових волокнах цей процес зайняв головне місце. Основна функція цих спеціалізованих клітин полягає в генеруванні сили і рухів, які організм використовує, щоб регулювати внутрішнє середовище і переміщатися в зовнішньому просторі.
На підставі структури, скорочувальних властивостей і механізмів регуляції розрізняють три види м'язової тканини:
1) скелетні м'язи;
2) гладка мускулатура;
3) серцевий м'яз (міокард).
Скелетні м'язи, як випливає з їх назви, прикріплені, як правило, до кісток скелета; завдяки скороченням цих м'язів підтримується положення скелета в просторі і відбуваються його руху. Скорочення виникають під впливом імпульсів від нервових клітин і зазвичай бувають довільними.
На малюнку 4-1 А представлені волокна скелетного м'яза (верхня панель), клітина серцевого м'яза (середня панель) і клітина гладенького м'яза (нижня панель). Клітка скелетного м'яза називається м'язовим волокном.У процесі ембріонального розвитку кожне м'язове волокно формується шляхом злиття багатьох недиференційованих одноядерних клітин (Міобластів)в одну циліндричну многоядерную клітку. Диференціація скелетних м'язів завершується приблизно до моменту народження. У період від дитячого до дорослого стану організму розміри диференційованих м'язових волокон продовжують збільшуватися, але нові волокна з міобластів не утворюються. У дорослої людини діаметр м'язових волокон досягає 10-100 мкм, довжина - до 20 см.
Якщо в постнатальний період відбувається пошкодження скелетних м'язових волокон, вони не можуть заміщатися шляхом ділення збережених волокон, однак нові волокна утворюються з недиференційованих клітин, так званих клітин-сателітів,розташованих поруч з м'язовими волокнами і піддаються диференціювання аналогічно ембріональним міобласти. Можливості формування нових волокон в скелетної м'язі значні, проте після сильного пошкодження вона цілком вже не відновлюється. Важливу роль в компенсації
втраченої м'язової тканини відіграє збільшення непошкоджених м'язових волокон.
На малюнку рис. 4-1 А, Г представлена також серцевий м'яз (міокард), яка забезпечує роботу серця.
Шари гладких м'язів знаходяться в стінках порожнистих внутрішніх органів і трубчастих утворень: шлунка, кишечника, сечового міхура, матки, кровоносних судин, бронхів. В результаті скорочень гладких м'язів проштовхується вміст порожнистих органів, регулюється струм рідини в судинах і протоках шляхом змін їх діаметра. Маленькі пучки гладком'язових клітин знаходяться також в шкірі близько волосяних сумок і в райдужній оболонці ока. Скороченнями гладких м'язів керує вегетативна нервова система, гормони, аутокрінние / паракрінние чинники, інші місцеві хімічні сигнали. Деякі гладкі м'язи спонтанно скорочуються навіть при відсутності сигналів. На відміну від скелетних м'язів, гладка мускулатура не має довільної регуляції.
Незважаючи на істотні відмінності між цими трьома видами м'язів, у них подібний механізм генерування сили. Спочатку будуть розглянуті скелетні м'язи, потім гладка мускулатура. Серцевий м'яз характеризується поєднанням ряду властивостей двох перших видів м'язів.
Найбільш примітна характеристика волокон скелетної, а також серцевої м'язів при вивченні за допомогою світлового мікроскопа - чергування світлих і темних смуг, поперечних по відношенню до довгої осі волокна. Завдяки цій особливості обидва типи м'язів відносять до поперечнополосатим м'язам (рис. 4-1 А, верхня і середня панелі). В гладкою м'язі така картина відсутня (рис. 4-1 А, нижня панель).
В скелетної м'язітовсті і тонкі філаменти утворюють періодичний малюнок уздовж кожної міофібрили. Регулярно повторюваний елемент цього малюнка відомий як саркомер(Від грец. Sarco - м'яз, mere - маленький) (збільшений фрагмент на рис. 4-1 Б). Кожен саркомер включає в себе тріаду:
1) цистерну саркоплазматичного ретикулуму;
2) поперечну Тубуль;
3) ще одну цистерну саркоплазматичного ретикулуму (рис. 4-1 Б).
На малюнку 4-1 В представлено будова гладкої м'язи, яке відрізняється від скелетної.
Суміщений малюнок 4-1 Г демонструє синхронну запис потенціалів дії, а також механограмму скелетного м'яза і м'язи серця.
Мал. 4-1. Організація волокон і филаментов в скелетної і гладкої м'язах
типи м'язів
Існують три типи м'язів: скелетні, гладенькі і міокард. Скелетні м'язи прикріплені до кісток, здійснюючи їх підтримку і рух. Гладка мускулатура оточує порожнисті і трубчасті органи. Серцевий м'яз (міокард) забезпечує роботу серця.
скелетні м'язи
1.Скелетние м'язи складаються з циліндричних м'язових волокон (клітин); кожен кінець м'язи з'єднаний за допомогою сухожиль з кістками.
2.Волокна скелетних м'язів характеризуються періодичним чергуванням світлих і темних смуг, що відбивають просторову організацію товстих і тонких філаментів в миофибриллах.
3.Тонкіе філаменти, що містять актин, прикріплені на обох краях саркомера до Z-поло сам; вільні кінці тонких філаментів частково перекриваються з міозінсодержащімі товстими филаментами в А-смузі центральної частини саркомера.
4.Во час активного укорочення скелетного м'язового волокна тонкі філаменти підтягуються у напрямку до центру саркомера в результаті рухів миозинових поперечних містків, які зв'язуються з актином:
Дві глобулярні головки кожного поперечного містка містять ділянку зв'язування з актином, а також фермент, який розщеплює АТФ;
Кожен робочий цикл поперечного містка складається з чотирьох стадій. Під час скорочення поперечні містки роблять повторні цикли, кожен з яких забезпечує дуже маленьке просування тонких філаментів;
АТФ виконує під час м'язового скорочення три функції.
5. У спочиває м'язі прикріплення поперечних містків до актину заблоковано молекулами тропомиозина, контактуючими з субодиницями актину тонких філаментів.
6.Сокращеніе ініціюється в результаті підвищення цитоплазматичної концентрації Са 2+. При зв'язування іонів Са 2+ з тропонином змінюється його конформація, завдяки чому тропомиозин зміщується, відкриваючи доступ до ділянок зв'язування на молекулах актину; поперечні містки зв'язуються з тонкими филаментами:
Підвищення цитоплазматичної концентрації Са 2+ запускається потенціалом дії
плазматичноїмембрани. Потенціал дії поширюється вглиб волокна уздовж поперечних трубочок до Саркоплазматичний ретикулуму і викликає вивільнення Са 2+ з ретикулума;
Розслаблення м'язового волокна після скорочення відбувається в результаті активного зворотного транспорту Са 2+ з цитоплазми в саркоплазматический ретикулум.
7.Окончанія рухового аксона утворюють нервово-м'язові з'єднання з м'язовими волокнами рухової одиниці відповідного мотонейрона. Кожне м'язове волокно иннервируется гілкою тільки одного мотонейрона:
АЦХ, що вивільняється з рухових нервових закінчень при надходженні потенціалу дії мотонейрона, зв'язується з рецепторами рухової кінцевої пластинки м'язової мембрани; відкриваються іонні канали, пропускають Na + і К +, завдяки чому кінцева платівка деполяризуется;
Одного потенціалу дії мотонейрона досить, щоб викликати потенціал дії в волокні скелетного м'яза.
8.Существует певна послідовність процесів, що ведуть до скорочення скелетного м'язового волокна.
9.Понятие «скорочення» відноситься до включення робочого циклу поперечних містків. Чи змінюється при цьому довжина м'язи, залежить від дії на неї зовнішніх сил.
10.При активації м'язового волокна можливі три типи скорочення:
Ізометричне скорочення, коли м'яз генерує напруга, але її довжина не змінюється;
Изотоническое скорочення, коли м'яз коротшає, переміщаючи навантаження;
Подовжує скорочення, коли зовнішнє навантаження змушує м'яз подовжуватися під час скорочувальної активності.
11.Повишеніе частоти потенціалів дії м'язового волокна супроводжується збільшенням механічної реакції (напруги або укорочення) до тих пір, поки не буде досягнутий максимальний рівень тетанического напруги.
12.Максімальное ізометричне тетаническое напруга розвивається в разі оптимальної довжини саркомера L о. При розтягуванні волокна більш його оптимальної довжини або зменшенні довжини волокна менш L про що генерується їм напруга падає.
13.Скорость укорочення м'язового волокна знижується при підвищенні навантаження. Максимальна швидкість відповідає нульовому навантаженні.
14.АТФ утворюється в м'язових волокнах наступними способами: перенесення фосфату з креатинфосфату до АДФ; окисне фосфорилювання АДФ в мітохондріях; субстратне фосфорилювання АДФ в процесі гліколізу.
15.У початку фізичної вправи головним джерелом енергії служить м'язовий глікоген. При більш тривалому вправі енергія утворюється в основному за рахунок глюкози і жирних кислот, що надходять з кров'ю; у міру подальшого продовження фізичної діяльності зростає роль жирних кислот. Коли інтенсивність фізичної роботи перевищить ~ 70% від максимуму, дедалі більшу частину утворюється АТФ починає забезпечувати гліколіз.
16.Мишечное стомлення обумовлено низкою факторів, включаючи зміни кислотності внутрішньоклітинного середовища, зменшення запасів глікогену, порушення електромеханічного сполучення, але не виснаження АТФ.
17.Разлічают три типи скелетних м'язових волокон в залежності від максимальної швидкості укорочення і переважаючого способу утворення АТФ: повільні оксидативний, швидкі оксидативний і швидкі гликолитические:
Різна максимальна швидкість укорочення швидких і повільних волокон обумовлена відмінностями АТФази міозину: високою і низькою АТФазной активності відповідають швидкі і повільні волокна;
Швидкі гликолитические волокна мають в середньому більший діаметр, ніж оксидативний, і тому розвивають більш значну напругу, проте швидше втомлюються.
18.Все м'язові волокна однієї рухової одиниці належать до одного і того ж типу; більшість м'язів містять всі три типи рухових одиниць.
19.Ізвестни характеристики трьох типів скелетних м'язових волокон.
20.Напряженіе цілої м'язи залежить від величини напруги, що розвивається кожним волокном, і від кількості активних волокон в м'язі.
21.Мишци, виконують тонкі руху, складаються з рухових одиниць з невеликим числом волокон, тоді як великі м'язи, що забезпечують підтримку пози тіла, складаються з набагато більших рухових одиниць.
22.Бистрие гликолитические рухові одиниці містять волокна більшого діаметру і, крім того, їх рухові одиниці мають більш значне число волокон.
23.Повишеніе м'язового напруги відбувається насамперед шляхом збільшення кількості активних рухових одиниць, тобто їх залучення. На початку скорочення першими залучаються повільні оксидативний рухові одиниці, потім швидкі оксидативний і, нарешті, вже при дуже інтенсивному скороченні, швидкі гликолитические одиниці.
24.Вовлеченіе рухових одиниць супроводжується підвищенням швидкості, з якою м'яз переміщує навантаження.
25.Сілу і стомлюваність м'язи можна змінити за допомогою тренування:
Продолжітельниеупражненія низької інтенсивності підвищують здатність м'язових волокон до утворення АТФ окислювальним (аеробних) шляхом. Це відбувається завдяки збільшенню кількості мітохондрій і кровоносних судин в м'язі. В результаті зростає витривалість м'язи;
Короткочасні вправи високої інтенсивності збільшують діаметр волокон внаслідок підвищення синтезу актину і міозину. В результаті зростає м'язова сила.
26.Двіженія суглобів здійснюються за допомогою двох антагоністичних груп м'язів: згиначів і розгиначів.
27.Мишци разом з кістками є системи важелів; щоб кінцівку могла втримати вантаж, ізометричне напруження м'язи повинно істотно перевищити масу цього вантажу, зате швидкість переміщення плеча важеля набагато більше, ніж швидкість укорочення м'яза.
гладкі м'язи
1.Гладкіе м'язи можна класифікувати на дві великі групи: унітарні гладкі м'язи і мультіунітарние гладкі м'язи.
2.Гладкомишечние волокна - веретеноподібні клітини без поперечної смугастість, з одним ядром, здатні до поділу. Вони містять Актинові і міозіновие філаменти і скорочуються за допомогою механізму ковзають ниток.
3. Підвищення концентрації Са 2+ в цитоплазмі веде до зв'язування Са 2+ з кальмодулином. Потім комплекс Са 2+ -кальмодулін зв'язується з кінази легких ланцюгів міозину, активуючи цей фермент, фосфорилюється міозин. Тільки після фосфорилювання
гладком'язових миозин може зв'язуватися з актином і здійснювати циклічні руху поперечних містків.
4.Міозін гладких м'язів гидролизует АТФ з відносно низькою швидкістю, тому гладкі м'язи коротшають набагато повільніше, ніж поперечно-смугасті. Однак напруга в розрахунку на одиницю площі поперечного перерізу для гладкого м'яза таке ж, як для поперечно-смугастої.
5.Іони Са 2+, які ініціюють скорочення гладких м'язів, надходять з двох джерел: саркоплазматичного ретикулуму і позаклітинного середовища. В результаті відкривання кальцієвих каналів плазматичної мембрани і саркоплазматичного ретикулума, яке опосередковується різними факторами, Са 2+ надходить в цитоплазму.
6.Большінство стимулюючих факторів підвищують цитоплазматическую концентрацію Са 2+ не настільки, щоб відбулася активація всіх поперечних містків клітини. Саме тому фактори, що підвищують концентрацію Са 2+ в цитоплазмі, можуть посилювати напругу гладких м'язів.
7.Существуют певні типи стимулів, що викликають скорочення гладких м'язів завдяки відкриттю кальцієвих каналів плазматичної мембрани і саркоплазматичного ретикулума.
8. У плазматичній мембрані більшості гладких клітин (але не всіх) при її деполяризації можуть генеруватися потенціали дії. Висхідна фаза потенціалу дії гладкою м'язи обумовлена входом Са 2+ в клітину через що відкрилися кальцієві канали.
9. У некоторихгладкіх м'язах потенціали дії генеруються спонтанно, при відсутності зовнішніх стимулів. Це відбувається завдяки тому, що в плазматичній мембрані періодично виникають пейсмекерного потенціали, деполярізующіе мембрану до порогового рівня.
10.Гладкомишечние клітини позбавлені спеціалізованих кінцевих пластинок. Деякі гладкі м'язи піддаються дії нейромедіаторів, що вивільняються з варикозних потовщень одиночній гілки нерва, причому кожне волокно може перебувати під впливом нейромедіаторів більш ніж одного нейрона. Дія нейромедіаторів на скорочення гладких м'язів може бути збудливим або гальмівним.
м'яз серця
1.Потенціали дії з швидкою відповіддю реєструються від передсердних і шлуночкових волокон міокарда і від спеціалізованих волокон провідної системи шлуночків (волокна Пуркіньє). Потенціал дії характеризується великою амплітудою, крутим наростанням і відносно довгим плато.
2.Потенціали дії з повільним відповіддю реєструються в клітинах SA- і AV-вузлів і в аномальних кардиомиоцитах, які були частково деполярізованнимі. Потенціал дії характеризується менш негативним потенціалом спокою, меншою амплітудою, менш крутим наростанням і більш коротким плато, ніж потенціал дії з швидкою відповіддю. Наростання генерується за рахунок активації Са 2+ -каналів.
3.Потенціали дії характеризуються ефективним рефрактерним періодом (фаза абсолютної рефрактерності).
4.Автоматія характерна для деяких клітин SA- і AV-вузлів і для клітин провідної системи шлуночків. Ознакою автоматии служить повільна деполяризація мембрани протягом фази 4 (повільна діастолічна деполяризація).
5. У нормі SA-вузол ініціює імпульс, що викликає скорочення серця. Цей імпульс поширюється з SA-вузла по тканині передсердь і в кінцевому рахунку досягає AV-вузла. Після затримки в AV-вузлі серцевий імпульс поширюється по шлуночках.
6.Увеліченіе довжини волокон міокарда, як буває при збільшеному желудочковом наповненні (при переднавантаження) під час діастоли, викликає більш сильне скорочення шлуночків. Співвідношення між довжиною волокон і силою скорочення відомо як співвідношення Франка-Старлінг або як закон серця Франка-Старлінг.
7.Несмотря на те, що міокард складається з окремих клітин, відокремлених один від одного мембранами, кардіоміоцити, з яких складаються шлуночки, скорочуються майже в унісон, як і кардіоміоцити передсердь. Міокард функціонує як синцитій з реакцією типу «все або нічого» при порушенні. Проведення збудження від клітини до клітини здійснюється через високо проникні контакти - gap junctions,якими пов'язані цитозолі суміжних клітин.
Мал. 4-2. Загальні уявлення про будову різних м'язів (див. Табл.)
8. При порушенні Потенціалактивовані кальцієві канали відкриваються, і позаклітинний Са 2+ надходить в клітку. Приплив Са 2+ сприяє вивільненню Са2 + з саркоплазматичного ретикулума. Зросла концентрація внутрішньоклітинного Са 2+ викликає скорочення миофиламентов. Розслаблення супроводжується відновленням концентрації внутрішньоклітинного Са 2+ до рівня в стані спокою шляхом активного закачування Са 2+ назад в саркоплазматический ретикулум і обміну Са 2+ на позаклітинний Na + через сарколемму.
9.Скорость і сила скорочень залежать від внутрішньоклітинної концентрації вільних іонів
кальцію. Сила і швидкість обернено пропорційні один одному, так що при відсутності навантаження швидкість максимальна. Під час изоволюмического скорочення, коли немає зовнішнього укорочення, загальне навантаження максимальна, а швидкість дорівнює нулю.
10.При скорочення шлуночків розтягування м'язових волокон кров'ю під час його наповнення служить переднавантаження. Післянавантаження є аортальне тиск, долаючи яке лівий шлуночок виштовхує кров.
11.Сократітельная здатність відображає роботу серця при заданих величинах преднагрузки і після навантаження.
* Число знаків «плюс» (+) вказує на відносні розміри саркоплазматичного ретикулуму в м'язах конкретного типу.
Фізіологія скелетних м'язів
поняття скелетна,або поперечно-смугаста м'язвідноситься до групи м'язових волокон, пов'язаних сполучною тканиною (рис. 4-3 А). Зазвичай м'язи прикріплені до кісток пучками колагенових волокон - сухожиллями,що знаходяться на обох кінцях м'язи. У деяких м'язах поодинокі волокна мають таку ж довжину, як і вся м'яз, але в більшості випадків волокна коротше і часто розташовуються під кутом до поздовжньої осі м'язи. Є дуже довгі сухожилля, вони прикріплені до кістки, віддаленої від кінця м'язи. Наприклад, деякі м'язи, які здійснюють руху пальців рук, знаходяться в передпліччя; ворушачи пальцями, ми відчуваємо, як рухаються м'язи кисті. Ці м'язи з'єднані з пальцями у вигляді довгих сухожиль.
При вивченні за допомогою світлового мікроскопа, основною характеристикою волокон скелетного м'яза виявилося чергування світлих і темних смуг, поперечних по відношенню до довгої осі волокна. Тому скелетні м'язи були названі поперечно-смугастими.
Поперечнасмугастість волокон скелетного м'яза обумовлена особливим розподілом в їх цитоплазмі численних товстих і тонких "ниток" (філаментів), які об'єднуються в циліндричні пучки діаметром 1-2 мкм - міофібрили(Рис. 4-3 Б). М'язове волокно практично заповнене миофибриллами, вони тягнуться по всій його довжині і на обох його кінцях з'єднані з сухожиллями.
Товсті і тонкі філаменти утворюють періодичний малюнок уздовж кожної міофібрили. товсті філаментискладаються майже цілком з скорочувального білка міозину. тонкі філаменти(Їх товщина дорівнює приблизно половині діаметра товстого філамента) містять скоротливий білок актин,а також два інших білка - тропонин
і тропомиозин, що грають важливу роль в регуляції скорочення (див. нижче).
Товсті філаменти зосереджені в середній частині кожного саркомера, де вони лежать паралельно один одному; ця область виглядає як широка темна (анізотропна) смуга, звана А-смугою.В обох половинах саркомера знаходиться по набору тонких філаментів. Один кінець кожного з них прикріплений до так званої Z-платівці(Або Z-лінії, або Z-смузі) - мережі з переплетених білкових молекул, - а інший кінець перекривається з товстими филаментами. Саркомер обмежений двома послідовно розташованими Z-смугами. Таким чином, тонкі філаменти двох сусідніх саркомеров закріплені на двох сторонах кожної Z-смуги.
Світла (ізотропна) смуга - так звана I-смуга- розташована між краями А-смуг двох сусідніх саркомеров і складається з тих ділянок тонких філаментів, які не перекриваються з товстими филаментами. Z-смуга ділить I-смугу навпіл.
В межах А-смуги кожного саркомера розрізняють ще дві смужки. У центрі А-смуги видно вузька світла смужка - Н-зона.Вона відповідає проміжку між ворогуючими одна одній кінцями двох наборів тонких філаментів кожного саркомера, тобто включає тільки центральні частини товстих філаментів. Посередині Н-зони знаходиться зовсім тонка темна М-лінія.Це мережа білків, що з'єднують центральні частини товстих філаментів. Крім того, від Z-смуги до М-лінії йдуть філаменти білка тітін, пов'язані одночасно з білками М-лінії і з товстими филаментами. М-лінія і тітіновие філаменти підтримують впорядковану організацію товстих філаментів в середині кожного саркомера. Таким чином, товсті і тонкі філаменти не є вільними, незакріпленими внутрішньоклітинними структурами.
Мал. 4-3. Структура скелетних м'язів.
А - організація циліндричних волокон в скелетної м'язі, прикріпленою до кісток сухожиллями. Б - структурна організація филаментов в волокні скелетного м'яза, що створює картину поперечних смуг. Показані численні міофібрили в одиночному м'язовому волокні, а також організація товстих і тонких філаментів в саркомере
молекула актину
Це глобулярні білок, що складається з одного поліпептиду, який полімеризується з іншими молекулами актину і утворює два ланцюги, що обвивають один одного (рис. 4-4 А). Така подвійна спіраль являє собою остов тонкого філамента. На кожній молекулі актину є ділянка зв'язування міозину. У спочиваючому м'язовому волокні взаємодія між актином і міозином запобігають два білка - тропонині тропомиозин(Рис. 4-4 Б).
Тропомиозин - стержневідной молекула з двох поліпептидів, обвивають один біля одного; молекула відповідає в довжину приблизно семи мономерам актину. Ланцюги з молекул тропомиозина, укладені кінець в кінець, розташовуються уздовж усього тонкого філамента. Молекули тропомиозина частково прикривають ділянки заважаючи контакту міозину з актином. В такому блокирующем положенні молекула тропомиозина утримується тропонином.
Тропонин - гетеротрімерний білок. Він складається з тропонина Т (відповідає за зв'язування з одиночної молекулою тропомиозина), тропоніну С (пов'язує іон Са 2+) і тропоніну I (пов'язує актин і пригнічує скорочення). Кожна молекула тропомиозина пов'язана з однією гетеротрімерной молекулою тропонина, яка регулює доступ до ділянок зв'язування міозину на семи мономерах актину, прилеглих до молекули тропомиозина.
міозин
Це єдине назва великої родини протеїнів, що мають певні відмінності в клітинах різних тканин. Міозин присутній у всіх еукаріотів. Близько 60 років тому було відомо два типи міозину, які зараз називають миозин I і міозин II. Міозин II був першим з числа відкритих миозинов, і саме він бере участь в м'язовому скороченні. Пізніше були відкриті миозин I і міозин V (рис. 4-4 В). Останнім часом показано, що міозин II бере участь в м'язовому скороченні, тоді як міозин I і міозин V залучені в роботу подмембранного (кортикального) цитоскелету. В даний час ідентифіковано більше 10 класів міозину. На малюнку 4-4 Г показано два варіанти схеми будови міозину, який складається з головки, шийки і хвоста. Молекула міозину складається з двох великих поліпептидів (важких ланцюгів) і чотирьох менших (легких ланцюгів). Ці поліпептиди складають молекулу з двома глобулярними «головками», які містять обидва види ланцюгів, і довгим стрижнем ( «хвостом») з двох переплетених важких ланцюгів. Хвіст кожної молекули міозину має осі товстого філамента, а дві глобулярні головки виступають з боків, їх інакше називають поперечними містками.На кожній глобулярної голівці знаходяться по дві ділянки зв'язування: для актину і для АТФ. Ділянки зв'язування АТФ володіють також властивостями ферменту АТФази, гідроліз пов'язану молекулу АТФ.
На малюнку 4-4 Д представлена упаковка молекул міозину. Виступаючі головки міозину і є поперечні містки.
Мал. 4-4. Будова актину і міозину
У стані спокою в м'язовому волокні концентрація вільного, іонізованого Са 2+ в цитоплазмі навколо товстих і тонких філаментів дуже низька, близько 10 -7 моль / л. При такій концентрації іони Са 2+ займають дуже невелику кількість ділянок зв'язування на молекулах тропонина (тропоніну С), тому тропомиозин блокує зв'язування з актином поперечних містків. Після потенціалу дії концентрація іонів Са 2+ в цитоплазмі швидко зростає, і вони зв'язуються з тропонином, усуваючи блокуючий ефект тропомиозина і ініціюючи цикл поперечних містків. Джерелом надходження Са 2+ в цитоплазму служить саркоплазматический ретикулумм'язового волокна.
саркоплазматический ретикулумм'язів гомологичен ендоплазматичнийретикулум інших клітин. Він розташовується навколо кожної міофібрили на кшталт «рваного рукава», сегментами якого оточені А- і I-смуги. Кінцеві частини кожного сегмента розширюються у вигляді так званих латеральних мішків(Термінальних цистерн), з'єднаних один з одним серією більш тонких трубок. У латеральних мішках депонується Са 2+, що вивільняється після порушення плазматичноїмембрани (рис. 4-5 А).
Окрему систему складають поперечні трубочки (Т-трубочки),які перетинають м'язове волокно на кордоні смуг А-I, проходять між латеральними мішками двох суміжних саркомеров і виходять на поверхню волокна, складаючи єдине ціле з мембраною. Просвіт Т-трубочки заповнений позаклітинної рідиною, що оточує м'язове волокно (рис. 4-5 Б). Мембрана Т-трубочок, так само як плазматична мембрана, здатна до проведення потенціалу дії. виникнувши в
плазматичній мембрані (рис. 4-5 В), потенціал дії швидко поширюється по поверхні волокна і по мембрані Т-трубочок вглиб клітини. Досягнувши області Т-трубочок, що прилягає до латеральним мішкам, потенціал дії активує потенціалзалежні «воротні» білки мембрани Т-трубочок, фізично або хімічно пов'язані з кальцієвими каналами мембрани латеральних мішків. Таким чином, деполяризація мембрани Т-трубочок, обумовлена потенціалом дії, призводить до відкривання кальцієвих каналів мембрани латеральних мішків, що містять Са 2+ у високій концентрації, і іони Са 2+ виходять в цитоплазму. Підвищення цитоплазматического рівня Са 2+ зазвичай буває достатнім для активації всіх поперечних містків м'язового волокна.
Процес скорочення триває, поки іони Са 2+ пов'язані з тропонином, тобто до тих пір, поки їх концентрація в цитоплазмі не повернеться до низького початкового значення. Мембрана саркоплазматичного ретикулуму містить Са-АТФази - інтегральний білок, який здійснює активний транспорт Са 2+ з цитоплазми назад в порожнину саркоплазматичного ретикулуму. Як тільки що говорилося, Са 2+ вивільняється з ретикулума в результаті поширення потенціалу дії по Т-трубочках; для повернення Са 2+ в ретикулум потрібно набагато більше часу, ніж для його виходу. Саме тому, підвищена концентрація Са 2+ в цитоплазмі зберігається протягом деякого часу, і скорочення м'язового волокна триває після завершення потенціалу дії.
Підведемо підсумок. Скорочення обумовлено вивільненням іонів Са 2+, що зберігаються в саркоплазматическом ретикулуме. Коли Са 2+ надходить назад в ретикулум, скорочення закінчується і починається розслаблення.
Мал. 4-5. Саркоплазматический ретикулум і його роль в механізмі скорочення м'язи.
А - схема організації саркоплазматичного ретикулуму, поперечних трубочок і міофібрил. Б - схема анатомічної структури поперечних трубочок і саркоплазматичного ретикулума в індивідуальному волокні скелетного м'яза. В - роль саркоплазматичного ретикулуму в механізмі скорочення скелетного м'яза
Це послідовність процесів, в результаті яких потенціал дії плазматичноїмембрани м'язового волокна призводить до запуску скорочення м'язи або до так званого циклу поперечних містків, який буде продемонстрований далі.
Плазматична мембрана скелетних м'язів електрично збудлива і здатна генерувати поширюється потенціал дії за допомогою механізму, аналогічного тому, який діє в нервових клітинах. Потенціал дії в волокні скелетного м'яза триває 1-2 мс і закінчується раніше, ніж з'являться які-небудь ознаки механічної активності (рис. 4-6 А). Розпочата механічна активність може тривати більше 100 мс. Електрична активність плазматичної мембрани не робить прямоговпливу на скоротливі білки, а викликає підвищення цитоплазматичної концентрації іонів Са 2+, які продовжують активувати скорочувальної апарат і після припинення електричного процесу.
скорочення м'язів
У фізіології м'язів термін «скорочення» не обов'язково слід розуміти як «вкорочення». Перш за все, розглядається факт активації поперечних містків - ділянок генерування сили в м'язовому волокні. Після скорочення механізм, який ініціює розвиток сили, вимикається.
Силу, з якою м'яз, при її скороченні, діє на предмет, називають м'язовим напругою (Tension); сила дії предмета (зазвичай його маси) на м'яз - цеСили м'язового напруги і навантаження протидіють один одному. Чи призведе сила, що генерується м'язовим волокном, до його вкорочення, залежить від відносних величин напруги і
навантаження. Щоб м'язове волокно коротшало і таким чином перемістило навантаження, його напруга повинна бути більше протидіє навантаження.
изометрическим(Довжина м'язи постійна). Таке скорочення відбувається, коли м'яз утримує навантаження в постійному положенні або розвиває силу по відношенню до навантаження, маса якої більше, ніж м'язова напруга. Якщо м'яз коротшає, а навантаження на неї залишається постійною, скорочення називають ізотонічним
Модель ковзають ниток
При вкороченні волокна кожен поперечний місток, прикріпили до тонкого филаментам, робить поворот на зразок обертання човнового весла. Обертальні рухи безлічі поперечних містків підтягують тонкі філаменти від обох країв А-смуги до її середині, і саркомер коротшає (рис. 4-6 Б). Один «гребок» поперечного містка створює дуже маленьке переміщення тонкого філамента щодо товстого. Однак, за весь період активного стану (збудження) м'язового волокна кожен поперечний місток повторює своє обертальний рух багато разів, забезпечуючи значний зсув миофиламентов. Детальний молекулярний механізм цього явища буде розглядатися далі.
Під час генерування сили, що укорочує м'язове волокно, що перекриваються товсті і тонкі філаменти кожного саркомера, підтягує рухами поперечних містків, зсуваються один щодо одного. Довжина товстих і тонких філаментів при вкороченні саркомера не змінюється (рис. 4-6 В). Цей механізм м'язового скорочення відомий як модель ковзають ниток.
Мал. 4-6. Феномен електромеханічного сполучення.
А - співвідношення між тимчасовим ходом потенціалу дії в м'язовому волокні і виникають в результаті цього скороченням м'язового волокна з подальшим його розслабленням. Б - поперечні містки товстих філаментів, зв'язуючись з актином тонких філаментів, піддаються конформаційні зміни, завдяки яким тонкі філаменти підтягуються до середини саркомера. (На схемі зображено лише два з приблизно 200 поперечних містків кожного товстого філамента). В - модель ковзають ниток. Ковзання перекриваються товстих і тонких філаментів один щодо одного призводить до вкорочення міофібрили без змін довжини филаментов. I-диск і Н-зона при цьому зменшуються
Специфічні білки скелетного м'яза
Як було відзначено, товсті і тонкі філаменти утворюють періодичний малюнок уздовж кожної міофібрили. Регулярно повторюваний елемент - саркомер. Товсті філаменти складаються майже цілком з скорочувального білка міозину. Тонкі філаменти містять скоротливий білок актин, тропонин і тропомиозин. Товсті філаменти зосереджені в середній частині кожного саркомера, де вони лежать паралельно один одному. Ця область має вигляд широкої темної смуги, званої А-смугою (рис. 4-7 А). В обох половинах саркомера знаходиться по набору тонких філаментів. Один кінець кожного з них прикріплений до так званої Z-смузі (або Z-лінії) - мережі з переплетених білкових молекул. Інший кінець перекривається з товстими филаментами. Саркомер обмежений двома послідовно розташованими Z-смугами. Таким чином, тонкі філаменти двох сусідніх саркомеров закріплені на двох сторонах кожної Z-смуги. Світла смуга - I-смуга, розташована між краями А-смуг двох сусідніх саркомеров і складається з тих ділянок тонких філаментів, які не перекриваються з товстими филаментами. Z-смуга ділить I-смугу навпіл.
Два кінця кожного товстого філамента молекули міозину орієнтовані в протилежних напрямках так, що кінці їх хвостів спрямовані по відношенню до центру філамента (рис. 4-7 Б). Завдяки цьому при гребкових рухах поперечних містків прикріпилися до них тонкі
філаменти лівої і правої половини саркомера проштовхуються до його середини, в результаті саркомер коротшає. Тобто під час генерування сили, що укорочує м'язове волокно, що перекриваються товсті і тонкі філаменти кожного саркомера зсуваються один щодо одного, підтягує рухами поперечних містків. Довжина товстих і тонких філаментів при вкороченні саркомера не змінюється
(Рис. 4-7 Б).
Відомо, що в межах А-смуги кожного саркомера розрізняються ще дві смужки. У центрі А-смуги видно вузька світла смужка - Н-зона. Вона відповідає проміжку між ворогуючими одна одній кінцями двох наборів тонких філаментів кожного саркомера, тобто включає тільки центральні частини товстих філаментів. Посередині Н-зони знаходиться зовсім тонка темна М-лінія. Це мережа білків, що з'єднують центральні частини товстих філаментів. На рис. 4-7 В показані відомі в даний час додаткові білки. Від Z-смуги до М-лінії йдуть філаменти білка тітін,пов'язані одночасно з білками М-лінії і з товстими филаментами. М-лініяі тітіновие філаментипідтримують впорядковану організацію товстих філаментів в середині кожного саркомера. Таким чином, товсті і тонкі філаменти не є вільними, незакріпленими внутрішньоклітинними структурами. Крім того, на рис. 4-7 В показаний білок CapZ,визначає стабілізацію филаментов актину. показаний також тропомодулін.На малюнку представлений і гігантський протеїн - небулін.
Мал. 4-7. Будова скелетного м'яза в нормі (А), на тлі розслаблення (Б) і скорочення (В). Додаткові білки, знайдені в скелетної м'язі (Г)
Молекула актину і міозину
тонкий филамент(Рис. 4-8 А) складається з актину, тропомиозина і тропоніну. Основа тонкого філамента - подвійна закручена ланцюг α- спірального полімеру молекули актину. Інакше кажучи, це два ланцюги, закручені відносно один одного. Така подвійна спіраль являє собою остов тонкого філамента. Кожен спіральний оборот одиничної нитки філамента, або F-актин, складається з 13 одиничних мономерів у вигляді глобул і дорівнює в довжину приблизно 70 нм. На кожній одиничній молекулі актину є ділянка зв'язування міозину. F-актин пов'язаний з двома найважливішими регуляторними актінсвязивающімі білками - тропоміозіном і тропонином. Ці білки в спочиваючому м'язовому волокні запобігають взаємодія між актином і міозином. Коротко, молекули тропомиозина частково закривають ділянки зв'язування кожної одиничної молекули актину, заважаючи контакту міозину з актином. В такому стані блокування ділянок зв'язування кожної одиничної молекули актину молекула тропомиозина утримує тропонин. Розглянемо тропомиозин і тропонин докладніше.
Тропомиозин - довга молекула, що складається з двох поліпептидів, що обвивають один одного. Молекула тропомиозина відповідає в довжину приблизно семи мономерам актину. Ланцюги з молекул тропомиозина, укладені кінець в кінець, розташовуються уздовж усього тонкого філамента. Молекули тропомиозина частково прикривають ділянки зв'язування кожної молекули актину,блокуючи можливість контакту міозину з актином. В такому блокирующем положенні молекула тропомиозина утримується тропонином.
Тропонин - гетеротрімерний білок. Він складається з тропонина Т, який відповідає за зв'язування з одиночної молекулою тропомиозина, тропоніну С, який пов'язує іон Са 2+, і тропоніну I, який пов'язує актин і пригнічує скорочення. Кожна молекула тропоміозі-
на пов'язана з однією гетеротрімерной молекулою тропонина, регулюючої доступ до ділянок зв'язування міозину на семи мономерах актину, прилеглих до молекули тропомиозина.
молекула міозину(Рис. 4-8 Б) - єдину назву великої родини протеїнів, що мають певні відмінності в клітинах різних тканин. У м'язовому скороченні бере участь міозин II,відкритий першим з числа всіх миозинов. В цілому, молекула міозину II складається з двох великих поліпептидів (так званих важких ланцюгів) і чотирьох менших (так званих легких ланцюгів). У міозину II дві важкі ланцюгискладають молекулу, яка містить дві глобулярні «Головки»(По одній у кожного поліпептиду) і відповідно дві незакрученние «Шийки».В деякій літературі шийку важкого ланцюга перекладають як «плече молекули міозину». Далі два великих поліпептиду, тобто дві важкі ланцюги, починають закручуватися відносно один одного. Їх початковий регіон закручування отримав назву «Шарнірний регіон важких ланцюгів».Потім слід довгий стрижень з двох переплетених важких ланцюгів, що отримав назву «Хвіст».Хвіст кожної молекули міозину має осі товстого філамента, а дві глобулярні головки разом з шийками і шарнірним регіоном, що виступають з боків, інакше називають «Поперечними містками».На кожній глобулярної голівці у міозину II знаходяться по дві легких ланцюга. Одна - так звана легка регуляторна ланцюг, інша - легка основна ланцюг. Легка основна ланцюг бере участь в стабілізації головки міозину. Легка регуляторна ланцюг регулює активність ферменту АТФази міозину, гідроліз пов'язану молекулу АТФ. Дія легкої регуляторної ланцюга міозину полягає в зміні регуляції за допомогою фосфорилювання за допомогою Са 2+ -залежною або Са 2+ -Незалежні киназ.
Взаємодія тонкого філамента і одиночної пари головок від міозину товстого філамента показано на рис. 4-8 В.
Мал. 4-8. Молекулярна організація тонких і товстих філаментів.
А - тонкий филамент. Б - молекула міозину. В - взаємодія тонкого і товстого філамента
Взаємодія актину і міозину
Розглянемо питання, що дозволяє поперечним містках, тобто глобулярним голівках (разом з шийками і шарнірним регіоном), зв'язуватися з актином і починати здійснювати певний рух. Якщо говорити гранично коротко, то в основі м'язового скорочення лежить цикл, в якому головки міозину II зв'язуються з ділянками зв'язування актину. Ці поперечні містки створюють викривлення, що відповідає переміщенню молекули, після чого головки міозину відокремлюються від актину. Для цих циклів береться енергія гідролізу АТФ. М'язи мають механізми регуляції циклів поперечних містків. Збільшення in ініціює продовження формування циклів поперечних містків. При порушенні відбувається збільшення in від рівня спокою (10 -7 М і менше) до більш ніж 10 -5 М.
Почнемо з того, що потенціал дії в волокні скелетного м'яза триває 1-2 мс і закінчується раніше, ніж з'являться які-небудь ознаки механічної активності. Розпочата механічна активність може тривати більше 100 мс. Електрична активність плазматичної мембрани не робить прямоговпливу на скоротливі білки, а викликає підвищення цитоплазматичної концентрації іонів Са 2+, які продовжують активувати скорочувальної апарат і після припинення електричного процесу. Тобто скорочення зумовлене вивільненням іонів Са 2+, що зберігаються в саркоплазматическом ретикулуме. Коли Са 2+
надходить назад в ретикулум, скорочення закінчується і починається розслаблення. Джерелом енергії для кальцієвого насоса служить АТФ: це одна з трьох головних функцій АТФ в м'язовому скороченні.
Отже, скорочення ініціюється в результаті збільшення in. Молекула гетеротрімерного тропонина містить ключовий Ca 2+ -сенсітівний регулятор - тропонин С. Кожна молекула тропоніну С в скелетної м'язі має два високоаффінних Ca 2+ -зв'язуючим місця, які беруть участь у зв'язуванні тропонина З з тонким филаментом. Зв'язування Ca 2+ в цих високоаффінних місцях постійно і не змінюється протягом активності м'язи. Кожна молекула тропоніну С в скелетної м'язі має також два додаткових нізкоаффінние Ca 2+ -зв'язуючим місця. Взаємодія Ca 2+ з ними індукує конформаційні зміни в тропоніновим комплексі, що призводять до двох ефектів. Перший ефект полягає в тому, що С-терміналь ингибиторного тропонина I рухається в напрямку від центру зв'язування актину з міозином (розташованому на актине), тим самим здійснюючи рух молекули тропомиозина також в сторону від центру зв'язування актину з міозином (розташованому на актине). Інший ефект здійснюється через тропонин Т, і полягає в виштовхуванні тропомиозина від центру зв'язування актину з міозином в так званий актинового жолобок. Це призводить до того, що центр зв'язування з міозином на актине відкривається, і головка міозину може взаємодіяти з актином, створюючи цикл поперечних містків.
Мал. 4-9. Принципи взаємодії актину і міозину в скелетної та серцевої м'язах
механізм скорочення
Послідовність подій, починаючи від зв'язування поперечного містка з тонким филаментом і до моменту, коли система готова до повторення процесу, називається робочим циклом поперечних містків.Кожен цикл складається з чотирьох основних фаз. Фаза 1 - головка міозину міцно пов'язана з молекулою актину в актоміозіновий комплекс. Для відділення головки міозину в цитоплазмі необхідний АТФ, і його підхід до міозин показаний стрілкою на схемі. Фаза 2 - якщо головка міозину зв'язується з АТФ, то зменшується аффинность головки міозину до актину. Через зменшення афінності головка міозину відділяється від молекули актину. При усуненні дії на головку міозину АТФ цикл триває далі. У м'язі це відбувається, виключно, завдяки розщепленню АТФ до АДФ + Р i в результаті роботи ферменту АТФази міозину. Цей крок залежить від наявності Mg 2+. Фаза 3 - якщо на голівці міозину після розщеплення АТФ на АДФ і P i обидва, АДФ і P i, пов'язані. При цьому головка міозину випрямляється. Афінність освіти актомиозинового комплексу знову підвищується, і головка міозину може знову приєднати молекулу актину зі слабкою зв'язком. Фаза 4 - ініціація слабкою зв'язку переходить швидко в більш сильний зв'язок з головкою міозину, навантаженої АДФ. Перехід в цей стан є власне щабель генерації сили. Цей процес пояснюють обертанням головки міозину, завдяки якій поворот міозину здійснює зрушення на крок филамент актину.
У циклі поперечних містків АТФ виконує дві різні ролі:
1)гідролізАТФ поставляє енергію для руху поперечного містка;
2)зв'язування(Але не гідроліз) АТФ з міозином супроводжується відділенням міозину від актину і створює можливість повторення циклу поперечних містків.
Хімічні та фізичні явища під час чотирьох стадій циклу поперечних містків можна уявити інакше. Молекула АТФ, пов'язана з міозином, розщеплюється із звільненням хімічної енергії і утворенням високоенергетичної конформації міозину поперечного містка; з цією формою міозину (М *) залишаються пов'язаними продукти гідролізу АТФ-АДФ і неорганічний фосфат (P i).
Енергію активної конформації міозину можна порівняти з потенційною енергією розтягнутої пружини.
Зв'язування актину.
При зв'язуванні високоенергетичної форми міозину з актином запускається звільнення напруженої конформації високоенергетичного поперечного містка; в результаті пов'язаний з актином поперечний місток здійснює своє обертальний рух і одночасно втрачає АДФ і P i.
Рух поперечного містка.
Процес послідовного отримання і звільнення енергії миозином можна порівняти з роботою мишоловки. У ній енергія запасається при розтягуванні пружини (в м'язі - при гідролізі АТФ), а звільняється при відпуску пружини (в м'язі - при зв'язуванні міозину з актином).
Під час руху поперечного містка миозин дуже міцно прикріплений до актину; тільки після розриву зв'язку з цим він може знову отримати енергію і повторити цикл. Зв'язок між актином і міозином розривається при з'єднанні з міозином нової молекули АТФ.
Дисоціація поперечного містка від актину.
Що Забезпечує АТФ поділ актину і міозину - приклад аллостерічеськой регуляції активності білка. Зв'язування АТФ з однією ділянкою міозину знижує спорідненість його молекули до актину, пов'язаного з іншою ділянкою. Отже, АТФ діє як модулятор, який регулює зв'язування актину з міозином. Відзначимо, що на цій стадії АТФ не розщеплюється, тобто служить не джерелом енергії, а тільки модулирующей молекулою, яка забезпечує аллостеріческого модуляцію міозіновой головки і тим самим послаблює зв'язок міозину з актином.
Мал. 4-10. Механізм скорочення. Представлений робочий цикл поперечних містків - головки міозину (разом з шийкою і шарнірним регіоном).
На панелі (А) процес представлений у вигляді замкнутого циклу з чотирьох фаз. На панелі (Б) процес представлений у вигляді послідовних кроків більш детально
Одиночне скорочення м'язи
Якщо м'яз розвиває напругу, але не коротшає (і не подовжується), скорочення називається изометрическим(Довжина м'язи постійна). Таке скорочення відбувається, коли м'яз утримує навантаження в постійному положенні, або розвиває силу по відношенню до навантаження, маса якої більше, ніж м'язова напруга. Якщо м'яз коротшає, а навантаження на неї залишається постійною, скорочення називається ізотонічним(Напруга м'язи постійно).
Механічний відповідь окремого м'язового волокна на одиночний потенціал дії називається одиночним скороченням(Twitch).Основні характеристики одиночного ізометричного скороченняпоказані на рис. 4-11 А. Початок м'язового напруги запізнюється на кілька мілісекунд по відношенню до потенціалу дії. Протягом цього латентного періодупроходять всі етапи електромеханічного сполучення. Інтервал від початку розвитку напруги до моменту його максимуму це час скорочення.Воно по-різному для різних типів волокон скелетних м'язів. Час скорочення швидких волокон не перевищує 10 мс, тоді як для більш повільних волокон воно не менше 100 мс. Тривалість скорочення визначається тим, як довго цитоплазматическая концентрація Са 2+ залишається підвищеною, забезпечуючи продовження циклічної активності поперечних містків. Час скорочення обумовлено активністю Са-АТФази саркоплазматичного ретикулума, яка в швидких волокнах вище, ніж в повільних.
Характеристики ізотонічного скорочення залежать також від маси жене навантаження (рис. 4-11 Б), а саме, при більш важкому навантаженні:
1) латентний період триваліше;
2) швидкість укорочення (величина укорочення м'яза в одиницю часу), тривалість скорочення і величина укорочення м'яза - менше.
Порівняння одиночних скорочень одного і того ж м'язового волокна при різних режимах його діяльності показує (рис. 4-11 В), що латентний період більше для ізотонічного скорочення, ніж для изометрического, тоді як тривалість механічного процесу менше в разі ізотонічного скорочення (тобто . при вкороченні), ніж изометрического (тобто при генеруванні сили).
Розглянемо докладніше послідовність явищ під час ізотонічного одиночного скорочення. При порушенні м'язового волокна поперечні містки починають розвивати силу, проте вкорочення не почнеться, поки м'язову напругу не перевищить навантаження на волокно. Таким чином, вкорочення передує період ізометричного скорочення,протягом якого зростає напруга. Чим важче навантаження, тим більше буде потрібно часу, щоб напруга зрівнялося з величиною навантаження і почалося скорочення. Якщо навантаження підвищувати, то, врешті-решт, м'язове волокно не зможе її підняти, швидкість і ступінь укорочення дорівнюватимуть нулю і скорочення стане повністю изометрическим.
Зауважимо, що силу, з якою м'яз при її скороченні діє на предмет, називають м'язовим напругою (Tension). Сила дії предмета (зазвичай його маси) на м'яз - цеКрива м'язового скорочення у вітчизняній літературі здавна називається «механограмму», тобто записом механічної активності м'язи. У світовій літературі зазвичай застосовують поняття resting tension (force) для опису сили, з якою спочиває м'яз діє на предмет (в mN), і active tension (force) для опису сили, з якою м'яз при її скороченні діє на предмет.
Сили м'язового напруги і навантаження протидіють один одному. Чи призведе сила, що генерується м'язовим волокном, до його вкорочення, залежить від відносних величин напруги і навантаження. Щоб м'язове волокно коротшало і, таким чином, перемістило навантаження, його напруга повинна бути більше протидіє навантаження.
Мал. 4-11. Одиночне м'язове скорочення.
А - одиночне ізометричне скорочення волокна скелетного м'яза після одного потенціалу дії. Б - поодинокі изотонические скорочення при різних навантаженнях. Величина, швидкість і тривалість укорочення зменшуються зі збільшенням навантаження, тоді як інтервал часу від стимулу до початку укорочення зростає зі збільшенням навантаження. В - одиночне изотоническое скорочення волокна скелетного м'яза після одного потенціалу дії
Види м'язових скорочень
Оскільки тривалість одного потенціалу дії в структурному м'язовому волокні становить 1-2 мс, а одиночне скорочення може тривати 100 мс, момент ініціації другого потенціалу дії може потрапити на період механічної активності. На малюнку 4-12 А- В представлені ізометричні скорочення м'язового волокна у відповідь на три послідовних стимулу. Ізометричне скорочення у відповідь на перший стимул S 1 тривало 150 мс (рис. 4-12 А). Другий стимул S 2, поданий через 200 мс після S 1, коли м'язове волокно вже повністю розслабилася, викликав друге скорочення, ідентичне першому, а третій стимул S 3 з таким же інтервалом - третя ідентичне скорочення. На малюнку 4-12 Б інтервал S 1 -S 2 залишився рівним 200 мс, а третій стимул був поданий через 60 мс після S 2, коли механічний відповідь на S 2 почав знижуватися, але ще не закінчився. Стимул S 3 викликав скоротливий відповідь, максимальна напруга якого перевищила відповідь на S 2. На малюнку 4-12 В інтервал S 2 -S 3 був зменшений до 10 мс, і максимальний механічний відповідь збільшився ще більше, причому відповідь на S 3 виявився злитим продовженням відповіді на S 2.
Збільшення м'язової напруги при послідовних потенціалах дії, що виникають до закінчення фази механічної активності, називається суммацией.При злитті одиночних скорочень під час ритмічного подразнення спостерігається тетанус(Тетаническое скорочення). При низьких частотах подразнення механічний відповідь може бути хвилеподібним, так як волокно частково розслабляється в проміжках між стимулами; це зубчастий тетанус.Якщо частоту роздратування підвищити, виходить гладкий тетанус, без осциляцій (рис. 4-12 Г).
У міру підвищення частоти потенціалів дії величина напруги зростає в результаті сумації до тих пір, поки гладкий тетанус не досягне максимуму, після якого напруга не збільшуватиметься при подальшому підвищенні частоти роздратування.
Щоб пояснити прічінисуммаціі, нужнорассмотреть, які процеси відбуваються в м'язових волокнах. Але спочатку слід отримати відомості про пружні властивості м'яза. М'яз містить пасивні пружні елементи (ділянки товстих і тонких філаментів, а також сухожилля), послідовно з'єднані з скоротливі елементами (генеруючими силу). послідовні
пружні елементи діють як пружини, через які активна сила, що генерується поперечними містками, передається до навантаження. Тимчасової хід напруги при ізометричному скороченні включає період, необхідний для розтягування послідовних пружних елементів.
Напруга м'язового волокна в конкретний момент часу залежить від наступних факторів:
1) число поперечних містків, прикріплених до актину і знаходяться на 2-й стадії циклу поперечних містків в кожному саркомере;
2) сила, створювана кожним поперечним містком;
3) тривалість активного стану поперечних містків.
Один потенціал дії викликає в м'язовому волокні вивільнення такої кількості Са 2+, яка достатня для насичення тропонина, тому всі ділянки зв'язування міозину на тонких філаментах спочатку доступні. Однак зв'язування високоенергетичної форми поперечних містків з цими ділянками (1-я стадія циклу поперечного містка) займає деякий час, а крім того, як було зазначено вище, необхідно час для розтягування послідовних пружних елементів. В результаті, незважаючи на початкову доступність усіх ділянок зв'язування при одиночному скороченні, максимальна напруга розвивається не відразу. Ще одна обставина: майже відразу після вивільнення іонів Са 2+ починається їх зворотний перенос в саркоплазматический ретикулум, так що концентрація Са 2+ в цитоплазмі поступово знижується відносно колишнього високого рівня і, отже, на Актинові нитках залишається все менше ділянок зв'язування міозину, здатних взаємодіяти з поперечними містками.
Інша ситуація під час тетанического скорочення. Кожен черговий потенціал дії викликає вивільнення Са 2+ з саркоплазматичного ретикулума раніше, ніж закінчується зворотний перенос всіх іонів Са 2+, що знаходяться в цитоплазмі після попереднього потенціалу дії. Завдяки цьому стійко підтримується підвищена цитоплазматична концентрація Са 2+ і, отже, не зменшується кількість доступних для зв'язування з міозином ділянок на Актинові філаментах. В результаті кількість доступних для зв'язування ділянок залишається на максимальному рівні, циклічна активність поперечних містків забезпечує достатню розтягнення послідовних пружних елементів і передачу максимальної напруги до кінців м'язового волокна.
Мал. 4-12. Співвідношення між частотою і напругою.
А-В - сумація скорочень в результаті зменшення проміжків часу між стимулами S 2 і S 3. Г - ізометричні скорочення, викликані серією стимулів з частотою 10 / с (зубчастий тетанус) і 100 / с (злитий тетанус); для порівняння показано одиночне скорочення
Співвідношення між навантаженням і швидкістю укорочення
Швидкість укорочення м'язового волокна зменшується при збільшенні навантаження (рис. 4-13 А). Швидкість укорочення максимальна при відсутності навантаження і дорівнює нулю, коли навантаження відповідає силі максимального ізометричного напруги. Якщо навантаження стане більше, ніж максимальне ізометричне напруження, буде відбуватися подовженням'язового волокна зі швидкістю, зростаючої зі збільшенням навантаження; при дуже великому навантаженні волокно розірветься.
Швидкість укорочення визначається частотою повторення робочих циклів кожного поперечного містка і в кінцевому підсумку частотою розщеплення молекул АТФ, оскільки в кожному циклі поперечного містка розщеплюється одна молекула АТФ. Якщо навантаження на поперечний місток збільшується, молекули АТФ піддаються гідролізу рідше (по ряду причин) і, отже, знижується швидкість укорочення.
Співвідношення між довжиною м'язи і її напругою
пасивніпружні властивості розслабленої м'язи обумовлені, головним чином, особливостями організації білка тітін, молекула якого одним кінцем прикріплена до Z-поло се, іншим - до товстого филаментам, і діє подібно пружині. У міру розтягування м'яза пасивне напруження розслабленого волокна зростає, але не за рахунок активних рухів поперечних містків, а завдяки розтягуванню тітінових ниток. Якщо розтягнуте волокно відпустити, його довжина повернеться до рівноважного стану, також як скорочується в аналогічній ситуації смужка гуми. Розтягування призводить не тільки до пасивного напрузі м'язового волокна, а й до зміни його активного напруги при скороченні. Тому сила, що генерується під час скорочення, залежить від вихідної довжини м'язового волокна. Це проілюстровано експериментом, коли м'язове волокно розтягують, і за будь-якої довжині реєструють величину активного напруги у відповідь на стимули (рис. 4-13 Б). Довжина, при якій волокно генерує найбільше активне ізометричне напруження, називається оптимальною довжиною,
При довжині м'язового волокна, що дорівнює 60% від L o, волокно не генерує напруги у відповідь
на стимул. У міру розтягування волокна від цього вихідного рівня активну ізометричне напруження зростає при кожному значенні довжини аж до максимуму при довжині L o. В ході подальшого подовження волокна його напруга падає.При довжині, складовою 175% і більше від L o, волокно не реагує на подразнення.
Коли скелетні м'язи розслаблені, довжина більшості їх волокон наближається до L o і, отже, оптимальна для генерування сили. Довжина розслаблених волокон змінюється під дією навантаження або в результаті розтягування, обумовленого скороченням інших м'язів, проте пасивне зміна довжини розслаблених волокон обмежена, оскільки м'язи прикріплені до кісток. Пасивне зміна довжини рідко перевищує 30%, а часто буває набагато менше. У цьому діапазоні значень вихідної довжини активне напруга м'язи ніколи не стає нижче половини напруги, що розвивається при L o (рис. 4-13 Б).
Співвідношення між вихідною довжиною волокна і його здатністю розвивати активне напруга під час скорочення можна пояснити з позицій моделі ковзних ниток. При розтягуванні розслабленого м'язового волокна відбувається витягування тонких філаментів з пучків товстих філаментів, так що зона перекривання зменшується. Якщо волокно розтягнуто до 1,75 L o, філаменти вже не перекриваються. Поперечні містки не можуть зв'язуватися з актином, і напруга не розвивається. При меншому розтягуванні (поступова зміна довжини від 1,75 L o до L o) зона перекривання филаментов збільшується, і напруга, що розвивається при стимуляції, зростає прямо пропорційно збільшенню кількості поперечних містків в зоні перекривання. Найбільша зона перекривання буває при довжині L o; тоді до тонким филаментам може прикріплятися найбільшу кількість поперечних містків, і напруга, що генерується максимально.
Якщо довжина волокна менше L o, що розвивається напруга знижується зважаючи на низку обставин. По-перше, пучки тонких філаментів з протилежних кінців саркомера починають взаємно перекриватися, заважаючи прикріплення поперечних містків і розвитку сили. По-друге, з незрозумілих поки причин при зменшенні довжини волокна знижується спорідненість тропоніну до Са 2+ і, отже, на тонких філаментах зменшується кількість ділянок, доступних для зв'язування з поперечними містками.
Мал. 4-13. Два основних співвідношення: навантаження - швидкість укорочення м'яза, довжина - напруга м'язи.
А - швидкість укорочення і подовження волокна скелетного м'яза в залежності від навантаження. Відзначимо, що сила, яка діє на поперечні містки під час удлиняющего скорочення більше, ніж максимальне ізометричне напруження. Б - зміни активного изометрического тетанического напруги в залежності від довжини м'язового волокна. Блакитна область відповідає фізіологічному діапазону значень довжини волокон в м'язі, прикріпленою до кістки
Функціональна роль АТФ в процесі скорочення скелетного м'яза
1.В результаті викликається миозином гідролізу АТФ поперечні містки отримують енергію для розвитку тягне зусилля.
2.Связиваніе АТФ з міозином супроводжується від'єднанням поперечних містків, прикріплених до актину.
3.Гідроліз АТФ під дією Са-АТФази саркоплазматичного ретикулума поставляє енергію для активного транспорту Са 2+ в латеральні мішки саркоплазматичного ретикулуму, що призводить до зниження цитоплазматичного Са 2+ до вихідного рівня. Відповідно скорочення завершується, і м'язове волокно розслабляється.
У скелетних м'язах при їх переході від стану спокою до скоротливої активності - в 20 разів (або навіть в кілька сотень разів) різко одномоментно підвищується швидкість розщеплення АТФ. Невеликий запас АТФ в скелетному м'язі достатній лише для кількох одиночних скорочень. Щоб підтримувати тривале скорочення, молекули АТФ повинні утворюватися в процесі метаболізму з такою ж швидкістю, з якою вони розщеплюються під час скорочення.
Існують три способи освіти АТФ під час скорочення м'язового волокна (рис. 4-14):
1) фосфорилювання АДФ шляхом перенесення фосфатної групи від креатинфосфату;
2) окисне фосфорилювання АДФ в мито - хондр;
3) фосфорилирование АДФ в процесі гліколізу в цитоплазмі.
Завдяки фосфорилированию АДФ креатинфосфат забезпечується дуже швидке утворення АТФ в самому початку скорочення:
Протягом періоду спокою концентрація креатинфосфату в м'язовому волокні зростає до рівня, приблизно в п'ять разів перевищує вміст АТФ. На початку скорочення, коли починаються зниження концентрації АТФ і збільшення концентрації АДФ внаслідок розщеплення АТФ під дією АТФази міозину, реакція зсувається в бік утворення АТФ за рахунок креатинфосфату. При цьому перехід енергії відбувається з такою великою швидкістю, що на початку скорочення
концентрація АТФ в м'язовому волокні змінюється мало, в той час як концентрація креатинфосфату падає швидко.
Хоча АТФ утворюється за рахунок креатинфосфату дуже швидко, за допомогою єдиної ферментативної реакції, кількість АТФ лімітовано вихідної концентрацією креатинфосфату в клітці. Щоб м'язове скорочення могло тривати довше декількох секунд, необхідна участь двох інших, згадуваних вище, джерел утворення АТФ. Після початку скорочення, що забезпечується за рахунок використання креатинфосфату, підключаються повільніші, що вимагають участі багатьох ферментів шляху окисного фосфорилювання і гліколізу, завдяки яким швидкість утворення АТФ збільшується до рівня, відповідного швидкості розщеплення АТФ.
При помірній м'язової активності АТФ утворюється переважно шляхом окисного фосфорилювання, і протягом перших 5-10 хв головним ресурсом для цього служить глікоген. У наступні ~ 30 хв домінуючими стають джерела енергії, що доставляються кров'ю, причому глюкоза і жирні кислоти беруть участь приблизно в однаковій мірі. На більш пізніх етапах скорочення переважає утилізація жирних кислот, а глюкоза витрачається менше.
Якщо інтенсивність м'язової роботи така, що швидкість розщеплення АТФ перевищує 70% від її максимального рівня, істотно зростає внесок гліколізу в освіту АТФ. Глюкоза для цього процесу надходить з двох джерел: з крові або за рахунок запасів глікогену в м'язових волокнах. У міру посилення м'язової активності збільшується частка АТФ, що забезпечується шляхом анаеробного процесу - гліколізу; відповідно утворюється більше молочної кислоти.
Після закінчення м'язової роботи запаси багатих енергією з'єднань (креатинфосфату і глікогену) в м'язі знижені. Для відновлення запасів обох сполук потрібна енергія, тому м'яз, вже перебуваючи в стані спокою, продовжує деякий час посилено споживати кисень. Завдяки посиленому споживанню кисню в період після м'язової роботи покривається так званий кисневий борг;і інтенсивне утворення АТФ шляхом окисного фосфорилювання направлено на відновлення енергетичних ресурсів у вигляді креатинфосфату і глікогену.
Мал. 4-14. Енергетичний метаболізм скелетного м'яза.
Три ресурсу для освіти АТФ під час м'язового скорочення: 1 - креатинфосфат; 2 - окисне фосфорилювання; 3 - гліколіз
Типи волокон скелетних м'язів
Волокна скелетних м'язів неоднакові за своїми механічними і метаболічним особливостям. Типи волокон розрізняються на основі наступних показників:
1) в залежності від максимальної швидкості укорочення - волокна швидкі і повільні;
2) в залежності від головного шляху утворення АТФ - волокна оксидативний і гликолитические.
Швидкі і повільні м'язові волокна містять ізоферменти міозину, що розщеплюють АТФ з різною максимальною швидкістю, чому відповідає різна максимальна швидкість робочого циклу поперечних містків і, отже, різна максимальна швидкість укорочення волокна. Висока АТФазна активність міозину властива швидким волокнам,нижча АТФазна активність - повільним волокнам.Хоча в швидких волокнах швидкість робочого циклу приблизно в 4 рази вище, ніж в повільних, поперечні містки обох типів генерують однакову силу.
Інший підхід до класифікації волокон скелетних м'язів заснований на відмінностях ферментативних механізмів синтезу АТФ. У деяких волокнах багато мітохондрій і, отже, забезпечується високий рівень окисного фосфорилювання; це оксидативний волокна.Кількість утворюється в них АТФ залежить від постачання м'язи кров'ю, з якої надходять молекули кисню, і багатих енергією з'єднань. Волокна цього типу оточені численними капілярами. Крім того, в них присутня зв'язує кисень білок - миоглобин,який збільшує швидкість дифузії кисню, а також виконує функцію короткочасного кисневого депо у м'язовій тканині. Завдяки значному вмісту міоглобіну оксидативний волокна пофарбовані в темно-червоний колір; їх часто називають червоними м'язовими волокнами.
В гликолитических волокнах,навпаки, мало мітохондрій, але високий вміст ферментів гліколізу і великі запаси глікогену. Ці волокна оточені відносно невеликим числом капілярів, і міоглобіну в їх тканини трохи, що відповідає обмеженого використання кисню. внаслідок нестачі
міоглобіну гликолитические волокна виглядають світлими і отримали назву білих м'язових волокон.
На підставі двох розглянутих характеристик (швидкість укорочення і тип метаболізму) можна виділити три типи волокон скелетних м'язів.
1.Повільні оксидативний волокна(Тип I) - низька активність міозіновой АТФази і висока окислювальна здатність (рис. 4-15 А).
2.Швидкі оксидативний волокна(Тип IIа) - висока активність міозіновой АТФази і висока окислювальна здатність (рис. 4-15 Б).
3.Швидкі гликолитические волокна(Тип IIб) - висока активність міозіновой АТФази і висока гліколітична здатність
(Рис. 4-15 В).
Відзначимо, що не виявлено четвертий теоретично можливий варіант - повільні гликолитические волокна.
Волокна варіюють не тільки по своїм біохімічним особливостям, а й за розмірами: у гликолитических волокон діаметр істотно більше, ніж у оксидативних. Це позначається на величині розвивається ними напруги. Що стосується числа товстих і тонких філаментів на одиницю площі поперечного перерізу, то воно приблизно однаково для всіх типів скелетних м'язових волокон. Таким чином, чим більше діаметр волокна, тим більше число паралельно задіяних товстих і тонких філаментів бере участь в генеруванні сили, і тим більше максимальна напруга м'язового волокна. Звідси випливає, що гликолитическому волокно, яке має більший діаметр, розвиває в середньому більш значну напругу, в порівнянні з напругою оксидативного волокна.
Крім того, розглянуті три типи м'язових волокон характеризуються різною стійкістю до стомлення. Швидкі гликолитические волокна втомлюються через короткий час, тоді як повільні оксидативний волокна дуже витривалі, що дозволяє їм тривалий час підтримувати скоротливу активність практично при постійному рівні напруги. Швидкі оксидативний волокна займають проміжне місце за здатністю протистояти розвитку втоми.
Характеристики трьох типів волокон скелетних м'язів узагальнені в табл. 4-1.
Мал. 4-15. Типи волокон скелетних м'язів. Швидкість розвитку стомлення в волокнах трьох типів.
Кожна вертикальна лінія відповідає сократительному відповіді на короткий тетаническое роздратування. Скоротливі відповіді в період між 9-й і 60-й хв пропущені
Таблиця 4-1.Характеристики трьох типів волокон скелетних м'язів
напруга м'язи
Силу, з якою м'яз при її скороченні діє на предмет, називають м'язовим напругою (Tension); сила дії предмета (зазвичай його маса) на м'яз - цеЯкщо м'язі задати фонову навантаження, як зазвичай здійснюють при вимірах, то цю фонову навантаження називають preload - переднавантаженняабо розтягом.Часто це пишуть в російськомовному написанні - «Прелод».Сили м'язового напруги і навантаження протидіють один одному. Чи призведе сила, що генерується м'язовим волокном, до його вкорочення, залежить від відносних величин напруги і навантаження. Щоб м'язове волокно коротшало і таким чином перемістило навантаження, його напруга повинна бути більше протидіє навантаження.
Якщо м'яз розвиває напругу, але не коротшає (і не подовжується), скорочення називають изометрическим(Довжина м'язи постійна) (рис. 4-16 А). Таке скорочення відбувається, коли м'яз утримує навантаження в постійному положенні або розвиває силу по відношенню до навантаження, маса якої більше, ніж м'язова напруга. Якщо м'яз коротшає, а навантаження на неї залишається постійною, скорочення називають ізотонічним(Напруга м'язи постійно) (рис. 4-16 Б).
Третій тип скорочення - подовжує скорочення (ексцентричне скорочення),коли діюча на м'яз навантаження більше, ніж напруга, що розвивається поперечними містками. У такій ситуації навантаження розтягує м'яз, незважаючи на протидіє силу, створювану рухами поперечних містків. Ексцентричне скорочення відбувається, якщо підтримуваний м'язом об'єкт зміщується вниз (приклади: людина сідає з положення стоячи або спускається вниз по
сходах). Слід підкреслити, що в подібних умовах подовження м'язових волокон не активний процес, здійснюваний скорочувальними білками, а результат дії на м'яз зовнішньої сили. При відсутності зовнішньої сили, що подовжує м'яз, волокно при його стимуляції буде тільки зменшуватися,але не подовжуватися. Всі три типи скорочення (ізометричне, изотоническое і ексцентричне) - це природні події повсякденній діяльності.
При кожному типі скорочення поперечні містки ритмічно повторюють цикл, що складається з чотирьох стадій. На 2-й стадії ізотонічного скорочення поперечні містки, пов'язані з актином, здійснюють обертальний рух, змушуючи саркомеров зменшуватися. По-іншому відбувається при ізометричному скороченні: изза навантаження, що діє на м'яз, пов'язані з актином поперечні містки не можуть зрушити тонкі філаменти, але передають їм силу - ізометричне напруження. Під час 2-ї стадії ексцентричного скорочення поперечні містки відчувають дію навантаження, яка тягне їх назад до Z-платівці, при цьому вони залишаються прикріпленими до актину і розвивають зусилля. Стадії 1, 3 і 4 проходять однаково при всіх трьох типах скорочень. Таким чином, при кожному типі скорочення скоротливі білки зазнають однакові хімічні зміни. Кінцевий результат (вкорочення, відсутність змін довжини або подовження) визначається величиною навантаження на м'яз.
На малюнку 4-16 В показана залежність «Довжина-tension»при ізометричному скороченні, а на рис. 4-16 Г тільки «активний» фрагмент цієї залежності, тобто різниця між «пасивної» кривої і загальної кривої. Далі показані (рис. 4-16 Д) характерні криві, що відображають залежність «навантаження-швидкість».
Мал. 4-16. Ізометричне і изотоническое скорочення.
А - експериментальний препарат для вивчення м'язових скорочень в ізометричних умовах. Б - експериментальний препарат для вивчення м'язових скорочень в ізотонічних умовах. В - пасивна крива, що демонструє м'язову напругу (Tension),яке вимірюється при різних довжинах м'язи перед скороченням. Сумарна крива, що демонструє м'язову напругу (Tension),яка вимірюється при різних довжинах м'язи протягом скорочення. Г - активне м'язове напруження (Active tension)являє собою різницю між сумарним і пасивним м'язовою напругою на панелі (С). Д - три криві блакитного кольору показують, що швидкість укорочення м'яза швидше, якщо м'яз натягнута масою
Опорно-руховий апарат
Скорочується м'яз передає зусилля кістках через сухожилля. Якщо зусилля достатньо, то при вкороченні м'яза кістки переміщаються. При скороченні м'яз розвиває тільки тягне зусилля, так що кістки, до яких вона прикріплена, у міру її укорочення підтягуються один до одного. При цьому може відбуватися згинаннякінцівки в суглобі (флексія) або розгинання(Екстензія) - випрямлення кінцівки (рис. 4 17 А). У цих протилежно спрямованих рухах повинні брати участь, принаймні, дві різні м'язи - згинач і розгинач. М'язові групи, які здійснюють руху суглоба в протилежних напрямках, називають антагоністами.Як показано на рис. 4-17 А, при скороченні двоголового м'яза плеча (M. Biceps)рука згинається в ліктьовому суглобі, тоді як скорочення м'язи-антагоніста - триголовий м'язи плеча (m. triceps)змушує руку розгинатися. Обидві м'язи створюють при скороченні тільки тягне зусилля по відношенню до передпліччя.
Групи м'язів-антагоністів необхідні не тільки для згинання та розгинання, а й для руху кінцівок в сторони або для обертання. Деякі м'язи при скороченні можуть створювати два типи руху в залежності від скорочувальної активності інших м'язів, що діють на ту ж кінцівку. Наприклад, при скороченні литкового м'яза (m. gastrocnemius)нога згинається в коліні, наприклад, під час ходьби (рис. 4-17 Б). Однак, якщо литковий м'яз скорочується одночасно з чотириголового м'язом стегна (m. quadriceps femoris),яка випрямляє ногу в гомілці, колінний суглоб не може зігнутися, так що рух можливий тільки в гомілковостопному суглобі. Відбувається розгинання стопи, тобто людина піднімається на кінчиках пальців ніг - «встає навшпиньки».
М'язи, кістки і суглоби тіла представляють собою системи важелів. Принцип дії важеля можна проілюструвати на прикладі згинання передпліччя (рис. 4-17 В): двоголовий м'яз надає тягне зусилля, направлене вгору, на ділянці передпліччя приблизно на відстані 5 см від ліктьового суглоба. У розглянутому прикладі кисть руки утримує навантаження 10 кг, тобто на відстані приблизно 35 см від ліктя діє спрямована вниз сила величиною 10 кг. Відповідно до законів фізики, передпліччя знаходиться в стані механічної рівноваги (тобто сумарна сила, що діє на систему, дорівнює нулю), коли твір спрямованої вниз сили (10 кг) на відстань від місця її застосування до ліктя (35 см) дорівнює добутку изометрического напруги м'язи (Х) на відстань від неї до ліктя (5 см). Отже, 10х35 = 5хх; звідси Х = 70 кг. Відзначимо, що робота цієї системи механічно невигідна, оскільки сила, що розвивається м'язом, набагато більше, ніж маса утримуваної навантаження (10 кг).
Однак механічно невигідні умови роботи більшості механізмів м'язових важелів компенсуються за рахунок підвищення маневреності. На малюнку 4-17 показано, що вкорочення двоголового м'яза на 1 см відповідає переміщення кисті на відстань 7 см. Оскільки вкорочення м'яза на 1 см і переміщення кисті на 7 см відбуваються за один і той же час, швидкість руху кисті в сім разів більше, ніж швидкість укорочення м'яза. Система важелів грає роль підсилювача, завдяки якому невеликі щодо повільні рухи двоголового м'яза перетворюються в більш швидкі рухи кисті. Так м'яч, кинутий подає гравцем баскетбольної команди, летить зі швидкістю 90-100 миль / год (приблизно 150-160 км / ч), хоча м'язи гравця коротшають у багато разів повільніше.
Мал. 4-17. М'язи і кістки діють як система важелів.
А - м'язи-антагоністи, які здійснюють згинання та розгинання передпліччя. Б - скорочення литкового м'яза призводить до згинання нижньої кінцівки, коли чотириглавий м'яз стегна розслаблена, або до розгинання, коли остання скорочується, не дозволяючи колінного суглобу згинатися. В - механічне рівновагу сил, що діють на передпліччі, коли рука тримає вантаж 10 кг. Г - важеля руки діє як підсилювач по відношенню до швидкості скорочення двоголового м'яза плеча, збільшуючи швидкість переміщення кисті. Система є також підсилювачем діапазону переміщень кисті (при вкороченні м'яза на 1 см кисть переміщається на 7 см)
Нервово-м'язове з'єднання
Сигналом длязапускасокращенія служить потенціал дії плазматичноїмембрани волокна скелетного м'яза. У скелетних м'язах потенціали дії можна викликати тільки одним способом - роздратуванням нервових волокон.
Волокна скелетних м'язів іннервуються аксонами нервових клітин, які називаються мотонейронами(Або соматичними еферентних нейронами). Тіла цих клітин розташовані в стовбурі мозку або в спинному мозку. Аксони мотонейронів покриті мієлінової оболонкою, а їх діаметр більше, ніж у інших аксонів, тому вони проводять потенціали дії з високою швидкістю, забезпечуючи надходження сигналів з ЦНС до волокон скелетних м'язів лише з мінімальною затримкою.
Увійшовши в м'яз, аксон мотонейрона розділяється на безліч гілок, кожна з яких утворює одне з'єднання з м'язовим волокном. Один мотонейрон іннервує багато м'язових волокон, але кожним м'язовим волокном управляє гілка тільки від одного мотонейрона. Мотонейрон разом з м'язовими волокнами, які він іннервує, становить рухову одиницю.М'язові волокна однієї рухової одиниці знаходяться в одній і тій же м'язі, але не у вигляді компактної групи, а розсіяні по м'язі. Коли в мотонейронами виникає потенціал дії, все м'язові волокна його рухової одиниці отримують стимул до скорочення.
При підході аксона до поверхні м'язового волокна миелиновая оболонка закінчується, і аксон утворює термінальну частину (нервове закінчення) у вигляді декількох коротких відростків, розташованих в жолобках на поверхні м'язового волокна. Область плазматичноїмембрани м'язового волокна, що лежить безпосередньо під нервовим закінченням, має особливі властивості і називається рухової кінцевий платівкою.Структура, що складається з нервового закінчення і рухової кінцевої пластинки, відома як нервово-м'язову з'єднання(Нервово-м'язовий синапс).
Термінали аксонів мотонейрона (рухові нервові закінчення) містять везикули, заповнені АЦХ. Вступник від мотонейрона потенціал дії деполяризує плазматическую мембрану нервового закінчення, внаслідок чого відкриваються Потенціалактивовані Са 2+ -канали, і в нервове закінчення входить Са 2+ з позаклітинного середовища. Іони Са 2+ зв'язуються з білками,
забезпечують злиття мембрани везикул з плазматичною мембраною нервового закінчення, і відбувається звільнення АЦХ в синаптичну щілину, що розділяє нервове закінчення і рухову кінцеву пластинку. Молекули АЦХ дифундують від нервового закінчення до рухової кінцевий платівці, де вони зв'язуються з ацетилхолінових рецепторів нікотинового типу, при цьому відкриваються іонні канали, проникні як для Na +, так і для K +. Через різницю трансмембранних електрохімічних градієнтів цих іонів, що входить в м'язове волокно потік Na + більше, ніж виходить потік К +, завдяки чому виникає місцева деполяризація рухової кінцевої пластинки - потенціал кінцевої пластинки(ПКП). ПКП аналогічний ВПСП в міжнейронних синапсах. Однак амплітуда одиночного ВКП істотно вище, ніж амплітуда ВПСП, тому що в нервово-м'язовому з'єднанні вивільняється нейромедіатор потрапляє на більш велику поверхню, де він зв'язується з набагато більшою кількістю рецепторів, і де, отже, відкривається набагато більше іонних каналів. З цієї причини амплітуда одиночного ВКП зазвичай буває більш ніж достатньою для того, щоб в суміжній з кінцевою пластинкою області плазматичної м'язової мембрани виник місцевий електричний струм, який ініціює потенціал дії. Потім потенціал дії поширюється по поверхні м'язового волокна за допомогою такого ж механізму, що і в мембрані аксона. Більшість нервово-м'язових з'єднань розташоване в серединній частині м'язового волокна, звідки виник потенціал дії поширюється до обох кінців волокна. У скелетному м'язі людини ніколи не виникають гальмівні потенціали. Всі нервово з'єднання - збуджуючі.
Поряд з рецепторами АЦХ на рухової кінцевий платівці присутній фермент ацетіхолінестераза(АЦХ-естераза), яка розщеплює АЦХ. У міру того як концентрація вільного АЦХ знижується внаслідок його розщеплення АЦХ-естераз, зменшується кількість АЦХ, здатного зв'язуватися з рецепторами. Коли не залишається рецепторів, пов'язаних з АЦХ, іонні канали кінцевої пластинки стають закритими. Деполяризація кінцевої пластинки завершується, мембранний потенціал повертається до рівня спокою, і кінцева платівка знову здатна відповідати на АЦХ, що вивільняється при надходженні до нервового закінчення наступного потенціалу дії.
Мал. 4-18. Порушення мембрани м'язового волокна: нервово-м'язову з'єднання
електромеханічне сполучення
Ранні дослідження ізольованого серця дозволили виявити, що для скорочення серцевого м'яза необхідні оптимальні концентрації Na +, K + і Ca 2+. Без Na + серце невозбудімості, воно не стане битися, так як потенціал дії залежить від позаклітинних іонів натрію. Навпаки, потенціал спочиває мембрани не залежить від трансмембранного градієнта іонів Na +. У нормальних умовах позаклітинна концентрація K + складає близько 4 мМ. Зниження концентрації позаклітинного K + не робить великого впливу на збудження і скорочення серцевого м'яза. Однак збільшення концентрації позаклітинного K + до досить високих рівнів викликає деполяризацію, втрату збудливості клітин міокарда і зупинку серця в діастолі. Ca 2+ також істотно важливий для серцевих скорочень. Видалення Ca 2+ з позаклітинної рідини призводить до зменшення сили серцевих скорочень і подальшої зупинки серця в діастолі. Навпаки, збільшення концентрації позаклітинного Ca 2+ підсилює серцеві скорочення, а дуже високі концентрації Ca 2+ призводять до зупинки серця в систолі. Вільний внутрішньоклітинний Ca 2+ служить іоном, що відповідає за скоротливу здатність міокарда.
На двох панелях малюнка показані механізми електромеханічного сполучення в серце, описані нижче. Порушення серцевого м'яза починається, коли хвиля збудження швидко поширюється уздовж сарколемми клітин міокарда від клітини до клітини через щілинні контакти. Порушення також поширюється всередину клітин через поперечні трубки, які інвагініровани в серцеві волокна на Z-смугах. Електростимуляція в області Z-смуги або аплікація іонізованого Са 2+ в області Z-смуги серцевих волокон, звільнених від оболонки (з віддаленими сарколеммой), викликає локальне скорочення сусідніх міофібрил. Під час плато потенціалу дії підвищується проникність сарколеми для Са 2+. Са 2+ входить в клітку з його електрохімічного градієнту через кальцієві канали сарколеми і її інвагінацій, тобто через мембрани Т-системи.
Вважається, що відкриття кальцієвих каналів відбувається в результаті фосфорилювання протеїнів каналів за допомогою циклічної аденозінмонофосфатзавісімой протеїнкінази (цАМФзавісімой протеїнкінази). Початковим джерелом позаклітинного Са 2+ служить інтерстиціальна рідина (10 -3 М Са 2+). деякий
кількість Са 2+ може також бути пов'язане з сарколеммой і з гликокаликсом,мукополісахаридом, що покриває сарколемму. Кількість кальцію, що потрапляє всередину клітини з позаклітинного простору, недостатньо для того, щоб викликати скорочення міофібрил. Увійшовши всередину кальцій ( «запускає або критичний» Са 2+) запускає вивільнення Са 2+ з саркоплазматичного ретикулума (де є запас внутрішньоклітинного Са 2+). Концентрація вільного Са 2+ в цитоплазмі зростає від рівня спокою (Resting level) Приблизно в 10 -7 М до рівнів від 10 -6 до 10 -5 М під час збудження. Потім Са 2+ зв'язується з білком тропонином С. Кальцієво-тропоніновим комплекс взаємодіє з тропоміозіном, щоб зняти блок з активних ділянок між Актинові і міозіновимі филаментами. Це зняття блоку дозволяє утворюватися циклічним поперечним зв'язків між актином і міозином і, отже, дозволяє миофибриллам скорочуватися.
Механізми, що підвищують концентрацію Са 2+ в цитозолі, збільшують розвивається силу серцевих скорочень (Active force),а механізми, які знижують концентрацію Са 2+ в цитозолі, зменшують її. Наприклад, катехоламіни збільшують надходження Са 2+ в клітину шляхом фосфорилювання каналів через цАМФ-залежну протеинкиназу. До того ж катехоламіни, подібно до інших агоністів, збільшують силу серцевих скорочень шляхом підвищення чутливості скоротливого механізму до Са 2+. Підвищення концентрації позаклітинного Са 2+ або зменшення градієнта Na + через сарколемму також призводить до збільшення концентрації Са 2+ в цитозолі.
Градієнт натрію може бути знижений шляхом збільшення внутрішньоклітинної концентрації Na + або шляхом зниження позаклітинної концентрації Na +. Серцеві глікозиди підвищують внутрішньоклітинну концентрацію Na + шляхом «отруєння» Na + / К + -АТФази, що призводить до акумуляції Na + в клітинах. Підвищення концентрації Na + в цитозолі змінює напрямок Na + / Са 2+ -обменніка (Na + / Ca 2+ -exchanger)на протилежне, так що з клітки видаляється менше Са 2+. Знижена концентрація позаклітинного Na + служить причиною того, що менше Na + входить в клітку, і, таким чином, менше Na + замінюється на Са 2+.
Досягнуте механічне напруження (Tension)зменшується за рахунок зниження концентрації позаклітинного Са 2+, збільшення трансмембранного градієнта Na + або застосування блокаторів Са 2+ - каналів, які перешкоджають входу Са 2+ в клітини міокарда.
Мал. 4-19. Електромеханічне сполучення в серце
Фізіологія гладких м'язів
Гладке м'язове волокно - це веретеновидная клітина діаметром від 2 до 10 мкм. На відміну від багатоядерних волокон скелетних м'язів, які після завершення диференціювання вже не можуть ділитися, гладкі м'язові волокна володіють єдиним ядром і здатні до поділу протягом усього життя організму. Розподіл починається у відповідь на різноманітні паракрінние сигнали, часто - на пошкодження тканини.
Значна різноманітність факторів, що модифікують скоротливу діяльність гладких м'язів різних органів, ускладнює класифікацію гладких м'язових волокон. Однак є загальний принцип, заснований на електричних характеристиках плазматичноїмембрани. Відповідно до цього принципу більшість гладких м'язів можна віднести до одного з двох типів: унітарні гладкі м'язи(Single-unit smooth muscles)з волокнами, пов'язаними в єдине ціле (рис. 4-20 А), клітини яких взаємодіють через gap junction,і мультіунітарние гладкі м'язи(Multiunit smooth muscles)з індивідуальною іннервацією волокон (рис. 4-20 Б).
Унітарні гладкі м'язи
У м'язах цього типу активність (електрична і механічна) здійснюється різними клітинами синхронно, тобто на стимули м'яз реагує як єдине ціле. Це обумовлено тим, що м'язові волокна пов'язані один з одним gap junction(Щілинними контактами), через які потенціал дії може за допомогою локальних струмів поширюватися від однієї клітини в сусідні. Таким чином, електрична активність, що виникла в будь-якій клітині унітарних гладких м'язів, передається до всіх волокнам (рис. 4-20 А).
Деякі волокна унітарних гладких м'язів мають пейсмекерного властивостями. У них спонтанно виникають потенціали дії, які проводяться через gap junctionдо волокон, що не володіє такою активністю. Більшість клітин унітарних гладких м'язів не є пейсмекерного.
На скоротливу активність унітарних гладких м'язів впливають електрична активність нервів, гормони, локальні чинники;
ці впливи опосередковуються механізмами, розглянутими вище стосовно діяльності всієї гладкої мускулатури. Характер іннервації унітарних гладких м'язів істотно варіює в різних органах. У багатьох випадках нервові закінчення зосереджені в тих областях м'язи, де знаходяться пейсмекерного клітини. Активність всього м'яза може регулюватися за допомогою змін частоти потенціалів дії пейсмекерних клітин.
Ще одна особливість унітарних гладких м'язів полягає в тому, що часто її волокна скорочуються у відповідь на розтягнення. Скорочення виникають при розтягуванні стінок багатьох порожнистих органів (наприклад, матки), коли зростає обсяг їх внутрішнього вмісту.
Приклади унітарних гладких м'язів: м'язи стінок шлунково-кишкового тракту, матки, тонких кровоносних судин.
Мультіунітарние гладкі м'язи
Між клітинами мультіунітарние гладких м'язів мало gap junction,кожне волокно діє незалежно від сусідніх, і м'яз поводиться як безліч самостійних елементів. Мультіунітарние гладкі м'язи рясно забезпечені ветвлениями вегетативних нервів (рис. 4-20 Б). Загальний відповідь всього м'яза залежить від кількості активованих волокон і від частоти нервових імпульсів. Хоча надходять нервові імпульси супроводжуються деполяризацией і скоротливі відповідями волокон, потенціали дії в мультіунітарние гладких м'язах, як правило, не генеруються. Скорочувальна активність мультіунітарние гладких м'язів посилюється або слабшає в результаті надходження з кров'ю гормонів, однак мультіунітарние гладкі м'язи не скорочуються при розтягуванні. Приклади мультіунітарние гладких м'язів: м'язи в стінках бронхів і великих артерій і ін.
Слід підкреслити, що більшість гладких м'язів не володіють властивостями виключно унітарних або мультіунітарние гладких м'язів. Насправді існує безперервне безліч варіацій гладких м'язів з різними поєднаннями властивостей того й іншого типу; унітарні гладкі м'язи і мультіунітарние гладкі м'язи - це дві крайності.
Мал. 4-20. Структура гладких м'язів
Потенціали гладких м'язів
Деякі типи гладких м'язових волокон генерують потенціали дії спонтанно, за відсутності будь-якого нейрогенного або гормонального впливу. Потенціал спокою плазматичноїмембрани таких волокон не підтримується на постійному рівні, а піддається поступової деполяризації до тих пір, поки він не досягне порогового рівня і не відбудеться генерування потенціалу дії. Після реполяризації мембрани знову починається її деполяризація (рис. 4-21), так що виникає серія потенціалів дії, що викликає тонічну скоротливу активність. Спонтанні зрушення потенціалу, деполярізующіе мембрану до порогового рівня, називаються пейсмекерного потенціалами.(Як показано в інших розділах, частина волокон серцевого м'яза і деякі типи нейронів ЦНС теж мають пейсмекерного потенціалами і можуть спонтанно генерувати потенціали дії при відсутності зовнішніх стимулів).
Цікаво, що в гладких м'язах, здатних до генерування потенціалів дії, переносниками позитивних зарядів в клітку в фазу наростання потенціалу дії служать іони Са 2+, а не Na +, тобто при деполяризації мембрани відкриваються потенціалзалежні кальцієві канали, і потенціали дії в гладкої мускулатури мають кальцієву природу, а не натрієву.
На відміну від поперечно-смугастої м'язи, в гладкою м'язі цитоплазматическая концентра-
ція Са 2+ може збільшуватися (або зменшуватися) в результаті градуальнихдеполяризационного (або гіперполярізаціонних) зрушень мембранного потенціалу, що збільшують (або зменшують) число відкритих кальцієвих каналів плазматичної мембрани.
Яку роль в електромеханічному сполученні грає позаклітинний Са 2+? У плазматичній мембрані гладких м'язових клітин знаходяться кальцієві канали двох типів - потенціалзалежні і керовані хімічними посередниками. Оскільки концентрація Са 2+ в позаклітинній рідині в 10 000 разів вище, ніж в цитоплазмі, відкривання кальцієвих каналів плазматичної мембрани супроводжується входом Са 2+ в клітину. Завдяки невеликим розмірам волокна, що увійшли іони Са 2+ швидко досягають шляхом дифузії внутрішньоклітинних ділянок зв'язування.
Ще одна відмінність полягає в тому, що якщо в скелетної м'язі одиночний потенціал дії вивільняє достатню кількість Са 2+ для включення всіх поперечних містків волокна, то в гладкою м'язі у відповідь на більшість стимулів активувати тільки частини поперечних містків. Саме тому, гладке м'язове волокно генерує напруга поступово, у міру зміни цитоплазматичної концентрації Са 2+. Що гучніше приріст концентрації Са 2+, тим більше число поперечних містків активується, і тим більше напруга, що генерується.
Мал. 4-21. Електричні потенціали гладких м'язів
Джерела надходження кальцію в цитоплазму
Підвищення концентрації Са 2+ в цитоплазмі, завдяки чому ініціюється скорочення гладких м'язів, забезпечується з двох джерел: (1) саркоплазматичного ретикулуму і (2) позаклітинного середовища, з якої Са 2+ входить в клітку через кальцієві канали плазматичної мембрани. Відносний внесок цих двох джерел Са 2+ варіює для різних гладких м'язів. Деякі з них в більшій мірі залежать від позаклітинної концентрації Са 2+, інші - від Са 2+, депонованого в саркоплазматическом ретикулуме.
Саркоплазматический ретикулум гладких м'язів
Що стосується саркоплазматичного ретикулуму, то в гладкою м'язі він розвинений слабкіше, ніж в скелетному м'язі, і не має специфічної організації, яка корелювала б з розташуванням товстих і тонких філаментів (рис. 4 22 А). Крім того, в гладкою м'язувідсутні Т-трубочки, з'єднані з мембраною. Оскільки діаметр гладкого м'язового волокна невеликий, а скорочення розвивається повільно, немає функціональної необхідності в швидкому поширенні збудливого сигналу вглиб волокна. Разом з тим між ділянками плазматичної мембрани і саркоплазматичного ретикулума спостерігаються особливі структури,
аналогічні спеціалізованим контактам між мембранами Т-трубочок і латеральних мішків в поперечно-смугастих волокнах. Ці структури поєднують політику між потенціалом дії плазматичноїмембрани і вивільненням Са 2+ з саркоплазматичного ретикулума. В ініціації вивільнення Са 2+ з областей саркоплазматичного ретикулуму, що знаходяться в центрі волокна, беруть участь вторинні посередники, що вивільняються плазматичноїмембраною або утворюються в цитоплазмі у відповідь на зв'язування позаклітинних хімічних медіаторів з рецепторами плазматичної мембрани (рис. 4-22 В).
У деяких гладких м'язах концентрація Са 2+ достатня для підтримки активності поперечних містків на певному низькому рівні навіть при відсутності зовнішніх стимулів. Таке явище носить назву тонус гладкої мускулатури.Інтенсивність тонусу змінюють фактори, що впливають на цитоплазматичну концентрацію Са 2+.
Видалення Са 2+ з цитоплазми, необхідне для того, щоб волокно розслабилося, відбувається за допомогою активного транспорту Са 2+ назад в саркоплазматический ретикулум, а також через плазматичну мембрану в позаклітинне середовище. Швидкість видалення Са 2+ в гладкою м'язі набагато менше, ніж в скелетної. Звідси і різна тривалість одиночного скорочення - кілька секунд для гладкого м'яза і частки секунди для скелетної.
Механізми обміну кальцієм представлені на
Мал. 4-22 Г.
Мал. 4-22. Саркоплазматический ретікулyм гладких м'язів.
А - структура саркоплазматичного ретикулуму. Б - джерела надходження кальцію через іонні канали. В - джерела надходження кальцію через насоси і обмінники
Скорочення гладких м'язів
У цитоплазмі гладких м'язових волокон присутні два види филаментов: товсті міозінсодержащіе і тонкі актінсодержащіе. Тонкі філаменти прикріплені або до плазматичної мембрани, або до цитоплазматическим структурам - так званим щільним тільцям(Функціональні аналоги Z-смуг поперечно-смугастих волокон). У розслабленому гладкому м'язовому волокні філаменти обох виду орієнтовані під косим кутом до довгої осі клітини. Під час укорочення волокна ділянки плазматичної мембрани, що знаходяться між точками прикріплення актину, вибухають. Товсті і тонкі філаменти не є об'єднані в міофібрили, як в поперечно-смугастих м'язах, і не утворюють регулярно повторюються саркомерів, тому не спостерігається поперечнасмугастість. Проте скорочення гладких м'язів відбувається за допомогою механізму ковзають ниток.
Концентрація міозину в гладкою м'язі становить лише близько однієї третини від його змісту в поперечно-смугастої м'язі, в той час як зміст актину може бути в два рази більше. Незважаючи на ці відмінності, максимальна напруга на одиницю площі поперечного перерізу, що розвивається гладкими і скелетними м'язами, схоже.
Співвідношення між ізометричній напрузі і довжиною для гладких м'язових волокон кількісно таке ж, як для волокон скелетного м'яза. При оптимальній довжині волокна розвивається максимальна напруга, а при зрушеннях довжини в обидві сторони від її оптимального значення напруга зменшується. Однак гладка м'яз, в порівнянні зі скелетної м'язом, здатна розвивати напругу в більш широкому діапазоні значень довжини. Це важливе адаптационное властивість, якщо врахувати, що більшість гладких м'язів входить до складу стінок порожнистих органів, при зміні обсягу яких змінюється і довжина м'язових волокон. Навіть при відносно великій збільшенні обсягу, як, наприклад, при заповненні сечового міхура, гладкі м'язові волокна в його стінках зберігають певною мірою здатність до розвитку напруги; в поперечно-смугастих волокнах подібне розтягнення могло б привести до розбіжності товстих і тонких філаментів за межі зони їх перекривання.
Так само як в поперечно-смугастої м'язі, в гладких м'язових волокнах скорочувальна активність регулюється змінами цитоплазматичної концентрації іонів Са 2+. Однак ці два типи м'язів істотно розрізняються за механізмом впливу Са 2+ на активність поперечних містків і змін концентрації Са 2+ у відповідь на стимуляцію.
Мал. 4-23. В гладкою м'язі товсті і тонкі філаменти орієнтовані під кутом до осей волокна і прикріплені до плазматичної мембрани або до щільним тільцям в цитоплазмі. При активації м'язових клітин товсті і тонкі філаменти ковзають один відносно одного так, що клітини коротшають і товщають
Активація поперечних містків
В тонких філаментах гладких м'язів немає зв'язує Са 2+ -белка тропонина С, який опосередковує триггерную роль Са 2+ по відношенню до активності поперечних містків в скелетної м'язі і в міокарді. Замість цього цикл поперечних містків в гладкою м'язі контролюється Са 2+ -Регульований ферментом, фосфорилюється міозин. Тільки фосфорілірованний форма міозину в гладкою м'язі може зв'язуватися з актином і забезпечувати цикли рухів поперечних містків.
Розглянемо процес скорочення гладких м'язів в деталях. Збільшення рівня Са 2+ в цитоплазмі ініціює повільну ланцюг подій, що призводять, з одного боку, до звільнення активного центру зв'язування з міозином на актине і, з іншого боку, до збільшення активності АТФази міозину, і без цього збільшення активності АТФази міозину в гладкою м'язі скорочення не може розпочатися.
Перша фаза процесу активації головки міозину полягає в зв'язуванні 4 іонів Са 2+ з кальмодулином(СаМ), який в цьому сенсі дуже схожий на тропонин З поперечно-смугастої м'язи. Далі комплекс Са 2+ -Сам активує фермент, званий кінази легкого ланцюга міозину(КЛЦМ) (Myosin light chain kinase, MLCK). КЛЦМ містить АТФ-зв'язуючий домен і активний центр, що забезпечує перенесення фосфату з АТФ на білок-акцептор. За цим механізмом КЛЦМ, в свою чергу, фосфорилирует легку регуляторну ланцюг, асоційовану з головкою молекули міозину II. Фосфорилювання легкого ланцюга змінює конформацію головки міозину II, яка досить змінена збільшенням своєї АТФазной активності, що і дозволяє їй взаємодіяти з актином. Тобто система працює як молекулярний мотор (рис. 4-23 А).
На малюнку 4-23 Б представлені два незалежних каскаду, що призводять до скорочення гладких м'язів. Каскад (1) включає механізм звільнення від блокування активного центру актину, з яким повинен зв'язатися міозин. Каскад (2) включає механізм активації головки міозину. Підсумок цих двох каскадів полягає у формуванні актомиозинового комплексу.
Розглянемо перший каскад звільнення від блокування активного центру актину. Два білка, кальдесмон і кальпомін, блокують можливість зв'язку актину з міозином. Обидва представляють собою Са 2+ -Сам, що зв'язують протеїни, і обидва пов'язують актин. З одного боку, Са 2+ зв'язується з СаМ, і комплекс Са 2+ -Сам діє двояко на кальпонін. Перший ефект - комплекс Са 2+ -Сам зв'язується з кальпоніном. Другий ефект - комплекс Са 2+ -Сам активує Са 2+ -Сам-залежну протеїн, яка фосфорилирует кальпонін. Обидва ефекти зменшують інгібування кальпоніном АТФазной
активності міозину. Кальдесмон також пригнічує АТФазной активність міозину гладенького м'яза. З іншого боку, Са 2+ зв'язується з СаМ, а комплекс Са 2+ -Сам зв'язується через P i з кальдесмоном, що зрушує останній від центру зв'язування актину з міозином. Центр зв'язування на актине відкривається.
Розглянемо другий каскад, який представлений на панелі А. Перша фаза процесу активації головки міозину полягає в зв'язуванні чотирьох іонів Са 2+ з СаМ. Сформувався комплекс Са 2+ -Сам активує КЛЦМ. КЛЦМ фосфорилирует легку регуляторну ланцюг, асоційовану з головкою молекули міозину II. Фосфорилювання легкого ланцюга змінює конформацію головки міозину II, яка досить змінена збільшенням своєї АТФазной активності, що і дозволяє їй взаємодіяти з актином.
В результаті актоміозіновий комплекс виявляється сформованим.
Гладком'язових изоформа АТФази міозину характеризується дуже низькою максимальною активністю, приблизно в 10-100 разів нижче, ніж активність АТФази міозину скелетного м'яза. Оскільки від швидкості гідролізу АТФ залежить швидкість циклічних рухів поперечних містків і відповідно швидкість укорочення, гладка м'яз скорочується набагато повільніше, ніж скелетна. Крім того, гладка м'яз не втомлюється під час тривалої активності.
Щоб після скорочення гладка м'яз розслабилася, необхідно дефосфорілірованіе міозину, так як дефосфорілірованний міозин не може бути пов'язаний з актином. Цей процес каталізується фосфатазою легких ланцюгів міозину, активної протягом усього часу спокою і скорочення гладких м'язів. При підвищенні цитоплазматичної концентрації Са 2+ швидкість фосфорилювання міозину активної кінази стає вище, ніж швидкість його дефосфорилирования фосфатазою, і кількість фосфорилированного міозину в клітці зростає, забезпечуючи розвиток напруги. Коли концентрація Са 2+ в цитоплазмі знижується, швидкість дефосфорилирования стає вище, ніж швидкість фосфорилювання, кількість фосфорилированного міозину падає, і гладка м'яз розслабляється.
При збереженні підвищеного рівня цитоплазматичного Са 2+ швидкість гідролізу АТФ міозином поперечних містків падає, незважаючи на зберігається ізометричне напруження. Якщо фосфорілірованний поперечний місток, прикріплений до актину, піддається дефосфорілірованіе, він виявиться в стані стійкого ригидного напруги, залишаючись нерухомим. Коли такі дефосфорілірованном поперечні містки зв'язуються з АТФ, вони дисоціюють від актину набагато повільніше. Таким чином, забезпечується здатність гладких м'язів тривало підтримувати напругу при невисокому споживанні АТФ.
гладкі м'язипредставлені в стінках органів травного каналу, бронхів, кровоносних і лімфатичних судин, сечового міхура, в матці, а також в райдужній оболонці ока, в циліарного м'яза, шкірі і залозах. На відміну від поперечно-смугастих м'язів вони не є окремими м'язами, а становлять лише частина органів. Гладкі м'язові клітини мають видовжену веретенообразную або стрічкоподібну форму із загостреними кінцями. Їх довжина у людини зазвичай буває близько 20 мкм. Найбільшою довжини (до 500 мкм) досягають гладкі м'язові клітини в стінці вагітної матки людини. У середній частині клітини знаходиться паличкоподібне ядро, а в цитоплазмі уздовж всієї клітини паралельно один одному проходять найтонші абсолютно однорідні міофібрили. Тому клітина не має поперечної смугастість. Більш товсті міофібрили розташовані в зовнішніх шарах клітини. Вони називаються прикордонними і мають одноосьовим подвійне променезаломлення. В електронному мікроскопі видно, що міофібрили є пучками протофібрілл і мають поперечної смугастість, невидимої в світловому мікроскопі. Гладкі м'язові клітини можуть регенерувати шляхом поділу (мітозу). У них міститься різновид актомиозина - тоноактоміозін. Між гладкими м'язовими клітинами є такі ж ділянки контакту мембран, або Нексус, як і між серцевими, за якими, як передбачається, поширюється збудження і гальмування з одних гладких м'язових клітин на інші.
У гладких м'язах збудження поширюється повільно Скорочення гладких м'язів викликаються сильнішими і більш тривалими подразненнями, ніж скелетної. Латентний період її скорочення триває кілька секунд. Гладкі м'язи скорочуються значно повільніше скелетних. Так, період скорочення гладких м'язів в шлунку жаби дорівнює 15-20 с. Скорочення гладких м'язів можуть тривати багато хвилини і навіть годинник. На відміну від скелетних м'язів скорочення гладких м'язів тонічні. Гладкі м'язи здатні при надзвичайно малій витраті речовин і енергії довго перебувати в стані тонічного напруги. Наприклад, гладкі м'язи сфінктерів травного каналу, сечового міхура, жовчного міхура, матки та інших органів знаходяться в тонусі протягом десятків хвилин і багатьох годин. Гладка мускулатура стінок кровоносних судин вищих хребетних тварин залишається в тонусі протягом усього життя.
Існує пряма залежність між частотою імпульсів, що виникають у м'язі, і рівнем її напруги. Чим більше частота, тим до певної межі більше тонус внаслідок сумації напруг неодночасно напружуються м'язових волокон.
Гладкі м'язи володіють тастічностью - здатність зберігати свою довжину при розтягуванні без зміни напруги на відміну від скелетних, які при розтягуванні напружені.
На відміну від скелетних м'язів багато гладкі м'язи володіють автоматизмом. Вони скорочуються під впливом місцевих рефлекторних механізмів, наприклад мейснеровського і Ауербаховского сплетінь в травному каналі, або хімічних речовин, що надходять в кров, наприклад ацетилхоліну, норадреналіну та адреналіну. Автоматичні скорочення гладких м'язів посилюються або гальмуються під впливом нервових імпульсів, що надходять з нервової системи. Отже, на відміну від скелетних м'язів існують спеціальні гальмівні нерви, які припиняють скорочення і викликають розслаблення гладких м'язів. Деякі гладкі м'язи, які мають велику кількість нервових закінчень, не володіють автоматизмом, наприклад сфінктер зіниці, мигательная перетинка кішки.
Гладкі м'язи можуть сильно зменшуватися, значно більше, ніж скелетні. Одиночне роздратування може викликати скорочення гладких м'язів на 45%, а максимальне скорочення при частому ритмі роздратування може досягати 60-75%.
Гладка м'язова тканина розвивається також з мезодерми (виникає з мезенхіми); вона складається з окремих сильно витягнутих клітин веретеноподібної форми, значно меншого розміру в порівнянні з волокнами поперечносмугастих м'язів. Їх довжина коливається від 20 до 500 μ, а ширина - від 4 до 7 μ. Як правило, ці клітини мають одним лежачим в центрі клітини подовженої форми ядром. У протоплазмі клітини в поздовжньому напрямку проходять численні і дуже тонкі міофібрили, які смугастість не мають і без особливої обробки абсолютно непомітні. Кожна гладка м'язова клітина одягнена найтоншої сполучнотканинноїоболонкою. Цими оболонками сусідні клітини пов'язані між собою. На відміну від поперечно-смугастих волокон, розташованих майже на всю довжину скелетного м'яза, протягом будь-якого гладеньком'язового комплексу зустрічається значне число клітин, розташованих в одну лінію.
Гладкі м'язові клітини зустрічаються в організмі або розкиданими поодинці в сполучної тканини, або пов'язаними в м'язові комплекси різної величини.
В останньому випадку кожна м'язова клітина буває також оточена з усіх боків міжклітинних речовиною, пронизаним найтоншими фибриллами, кількість яких може бути досить по-різному. У міжклітинній речовині виявляються і найтонші мережі еластичних волоконец.
Гладкі м'язові клітини органів об'єднуються в м'язові пучки. У багатьох випадках (сечові шляхи, матка і ін.) Ці пучки розгалужуються і зливаються з іншими пучками, утворюючи різної щільності поверхневі мережі. Якщо ж велика кількість пучків розташовується тісно, то утворюється щільна м'язова оболонка (наприклад, шлунково-кишкового тракту). Кровопостачання гладких м'язів здійснюється через судини, які проходять у великих сполучнотканинних прошарках між пучками; капіляри проникають між волокнами кожного пучка і, розгалужуючись уздовж нього, утворюють густу капілярну сітку. Гладком'язових тканина містить також лімфатичні судини. Гладкі м'язи іннервуються волокнами вегетативної нервової системи. Гладкі м'язові клітини на відміну від волокон поперечносмугастих м'язів виробляють повільні, тривалі скорочення. Вони здатні працювати довго і з великою силою. Наприклад, м'язові стінки матки при пологах, що протікають годинами, розвивають таку силу, яка недоступна для поперечносмугастих м'язів. Діяльність гладких м'язів, як правило, не підпорядкована нашої волі (вегетативна іннервація, див. Нижче) - вони мимовільні.
Гладка мускулатура за своїм розвитком (філогенезу) є більш давньою, ніж поперечнополосата, і в більшій мірі поширена у нижчих форм тваринного світу.
Класифікація гладких м'язів
Гладкі м'язи поділяються на вісцеральні (унітарні) і мультіунітарние. Вісцеральні гладкі м'язи знаходяться у всіх внутрішніх органах, проток травних залоз, кровоносних і лімфатичних судинах, шкірі. До мулипіунітарним відносяться ресничная м'яз і м'яз райдужки ока. Розподіл гладких м'язів на вісцеральні і мультіунітарние засноване на різній щільності їх рухової іннервації. У вісцеральних гладких м'язах рухові нервові закінчення є на невеликій кількості гладких м'язових клітин. Незважаючи на це, збудження з нервових закінчень передається на всі гладкі м'язові клітини пучка завдяки щільним контактам між сусідніми миоцитами - Нексус. Нексус дозволяють потенціалом дії і повільним хвилях деполяризації поширюватися з однієї м'язової клітини на іншу, тому вісцеральні гладкі м'язи скорочуються одномоментно з приходом нервового імпульсу.
Функції і властивості гладких м'язів
пластичність. Ще однією важливою специфічною характеристикою гладких м'язів є мінливість напруги без закономірного зв'язку з її довжиною. Так, якщо розтягнути висцеральную гладку м'яз, то її напруга буде збільшуватися, однак якщо м'яз утримувати в стані подовження, викликаним розтягуванням, то напруга буде поступово зменшуватися, іноді не тільки до рівня, що існував до розтягування, але і нижче цього рівня. Це властивість називається пластичністю гладких м'язів. Таким чином, гладка м'язи більш схожа на тягучу пластичну масу, ніж на малоподатлівую структуровану тканину. Пластичність гладкої мускулатури сприяє нормальному функціонуванню внутрішніх порожнистих органів.
Зв'язок порушення зі скороченням. Вивчати співвідношення між електричними і механічними проявами в вісцеральної гладкою м'язі важче, ніж в скелетної або серцевої, так як вісцеральна гладка м'яз знаходиться в стані безперервної активності. В умовах відносного спокою можна зареєструвати одиночний ПД. В основі скорочення як скелетної, так і гладких м'язів лежить ковзання актину по відношенню до міозин, де іон Са2 + виконує триггерную функцію.
У механізмі скорочення гладких м'язів є особливість, що відрізняє його від механізму скорочення скелетного м'яза. Ця особливість полягає в тому, що перш ніж міозин гладких м'язів зможе проявляти свою АТФазной активність, він повинен бути фосфорильованій. Фосфорилювання і дефосфорілірованіе міозину спостерігається і в скелетному м'язі, але в ній процес фосфорилювання не є обов'язковим для активації АТФазной активності міозину. Механізм фосфорилювання міозину гладенького м'яза здійснюється наступним чином: іон Са2 + з'єднується з кальмодулином (кальмодулін - рецептивний білок для іона Са2 +). Виникає комплекс активує фермент - киназу легкого ланцюга міозину, який в свою чергу каталізує процес фосфорилювання міозину. Потім відбувається ковзання актину по відношенню до міозин, що становить основу скорочення. Відзначимо, що пусковим моментом для скорочення гладких м'язів є приєднання іона Са2 + до кальмодуліном, в той час як в скелетної і серцевому м'язі пусковим моментом є приєднання Са2 + до тропонину.
Хімічна чутливість. Гладкі м'язи мають високу чутливість до різних фізіологічно активних речовин: адреналіну, норадреналіну, АХ, гістаміну та ін. Це обумовлено наявністю специфічних рецепторів мембрани гладком'язових клітин. Якщо додати адреналін або норадреналін до препарату гладких м'язів кишечника, то збільшується мембранний потенціал, зменшується частота ПД і м'яз розслабляється, т. Е. Спостерігається той же ефект, що і при збудженні симпатичних нервів.
Норадреналін діє на α- і β-адренорецептори мембрани гладком'язових клітин. Взаємодія норадреналіну з β-рецепторами зменшує тонус м'язи в результаті активації аденілатциклази і освіти циклічного АМФ і подальшого збільшення зв'язування внутрішньоклітинного Са2 +. Вплив норадреналіну на α-рецептори гальмує скорочення за рахунок збільшення виходу іонів Са2 + з м'язових клітин.
АХ надає на мембранний потенціал і скорочення гладкої мускулатури кишечника дію, протилежне дії норадреналіну. Додавання АХ до препарату гладких м'язів кишечника зменшує мембранний потенціал і збільшує частоту спонтанних ПД. В результаті збільшується тонус і зростає частота ритмічних скорочень, т. Е. Спостерігається той же ефект, що і при порушенні парасимпатичних нервів. АХ деполяризує мембрану, збільшує її проникність для Na + і Са +.
Гладкі м'язи деяких органів реагують на різні гормони. Так, гладка мускулатура матки у тварин в періоди між овуляцією і при видаленні яєчників щодо невозбудімості. Під час тічки або у тварин, позбавлених яєчників, яким вводився естроген, збудливість гладкої мускулатури зростає. Прогестерон збільшує мембранний потенціал ще більше, ніж естроген, але в цьому випадку електрична і скорочувальна активність мускулатури матки загальмовується.
Гладкі м'язи входять до складу внутрішніх органів. Завдяки скороченню вони забезпечують рухову (моторну) функцію них органів (травний канал, сечостатева система, кровоносні судини і т.д.). На відміну від скелетних м'язів, гладкі м'язи є мимовільними.
Морфо-функціональна структура гладких м'язів.Основною структурною одиницею гладких м'язів є м'язова клітка, яка має веретеноподібну форму і покрита зовні плазматичноїмембраною. Під електронним мікроскопом в мембрані можна помітити численні поглиблення - кавеоли, які значно збільшують загальну поверхню м'язової клітини. Сарколемми непосмугованих м'язової клітини включає в себе плазматическую мембрану разом з базальноїмембраною, яка покриває її ззовні, і прилеглими колагеновими волокнами. Основні внутрішньоклітинні елементи: ядро, мітохондрії, лізосоми, мікротрубочки, саркоплазматической мережі і скоротливі білки.
М'язові клітини утворюють м'язові пучки і м'язові шари. Міжклітинний простір (в 100 нм і більше) заповнений еластичними і колагеновими волокнами, капілярами, фібробластами і ін .. В деяких ділянках мембрани сусідніх клітин лежать дуже щільно (щілину між клітинами становить 2-3 нм). Припускають, що ці ділянки (нексус) служать для міжклітинної зв'язку, передачі збудження. Доведено, що одні гладкі м'язи містять велику кількість нексус (сфінктер зіниці, циркулярні м'язи тонкої кишки та ін.), У інших їх мало або зовсім немає (сім'явиносних проток, поздовжні м'язи кишок). Між непосмугованих м'язовими клітинами існує також проміжний, або десмоподібній, зв'язок (через потовщення мембрани і за допомогою відростків клітин). Очевидно, ці зв'язки мають значення для механічного з'єднання клітин і передачі механічної сили клітинами.
Завдяки хаотичного розподілу міозинових і Актинові протофібрілл клітини гладких м'язів не поперечносмугасті, як скелетні і сердечна. На відміну від скелетних м'язів, в гладких м'язах немає Т-системи, а саркоплазматической мережі становить лише 2-7% обсягу міоплазми і не має зв'язків із зовнішнім середовищем клітини.
Фізіологічні властивості гладких м'язів .
Гладеньких м'язів, - як-поперечносмугасті, скорочуються внаслідок ковзання Актинові протофібрілл між міозинової, проте швидкість ковзання і гідроліз АТФ, а значить, і швидкість скорочення, в 100-1000 разів менше, ніж в поперечно-смугастих м'язах. Завдяки цьому гладкі м'язи - добре пристосовані для тривалого ковзання з невеликим витратою енергії і без втоми.
Гладкі м'язи з урахуванням здатності генерувати ПД у відповідь на порогове або надгіорогове роздратування умовно ділять на фазні і тонічні. Фазні м'язи генерують повноцінний ПД, тонічні - тільки місцевий, хоча їм властивий і механізм генерації повноцінних потенціалів. Нездатність тонічних м'язів до ПД пояснюється високою калієвої проникністю мембрани, яка перешкоджає розвитку регенеративної деполяризації.
Величина мембранного потенціалу гладком'язових клітин непосмугованих м'язів варіює від -50 до -60 мВ. Як і в інших м'язах, в тому числі і в нервових клітинах, в його освіті беруть участь головним чином до +, Na +, Cl-. У клітинах гладеньких м'язів травного каналу, матки, деяких судинах мембранний потенціал нестабільний, спостерігаються спонтанні коливання у вигляді повільних хвиль деполяризації, на вершині яких можуть з'являтися розряди ПД. Тривалість ПД гладких м'язів коливається від 20-25 мс до 1 с і більше (наприклад, в м'язах сечового міхура), тобто вона довша, ніж тривалість ПД скелетних м'язів. У механізмі ПД гладких м'язів поруч з Na + велику роль відіграє Са2 +.
Спонтанна міогенна активність. На відміну від скелетних м'язів, гладкі м'язи шлунка, кишок, матки, сечоводів мають спонтанну міогенні активність, тобто розвивають спонтанні тетаногіодібні скорочення. Вони зберігаються в умовах ізоляції цих м'язів і при фармакологічному виключенні інтрафузальних нервових сплетінь. Отже, ПД виникає в власне гладких м'язах, а не обумовлений передачею в м'язи нервових імпульсів.
Ця спонтанна активність має міогенні походження і виникає в м'язових клітинах, які виконують функцію водія ритму. У цих клітинах місцевий потенціал досягає критичного рівня і переходить в ПД. Але за реполяризацию мембрани спонтанно виникає новий місцевий потонціал, який викликає ще один ПД, і т.д. ПД, поширюючись через нексус на сусідні м'язові клітини зі швидкістю 0,05-0,1 м / с, охоплює весь м'яз, викликаючи його скорочення. Наприклад, перистальтичні скорочення шлунка виникають з частотою 3 рази за 1 хв, сегментарні і Маятнікообразние руху товстої кишки-в 20 разів за 1 хв у верхніх відділах і 5-10 за 1 хв - в нижніх. Таким чином, гладкі м'язові волокна названих внутрішніх органів мають автоматизмом, який проявляється їх здатністю ритмічно скорочуватися при відсутності зовнішніх подразників.
Яка причина виникнення потенціалу в клітинах гладких м'язів водія ритму? Очевидно, він виникає внаслідок зменшення калієвої і збільшення натрієвої і кальцієвої проникності мембрани. Що стосується регулярного виникнення повільних хвиль деполяризації, найбільш виражених в м'язах шлунково-кишкового тракту, го немає достовірних даних про їх іонну походження. Можливо, певну роль грає зменшення початкового інактивує компонента калієвого струму при деполяризації м'язових клітин внаслідок інактивації відповідних іонних калієвих каналів.
Еластичність і розтяжність гладких м'язів. На відміну від скелетних м'язів, гладкі при розтягуванні себе як пластичні, еластичні структури. Завдяки пластичності гладка м'яз може бути повністю розслаблений як в скороченому, так і в розтягнутими стані. Наприклад, пластичність гладких м'язів стінки шлунка або сечового міхура у міру наповнення цих органів запобігає підвищенню внутриполостного тиску. Надмірне розтягування часто призводить до стимулювання скорочення, яке обумовлено деполяризацией клітин водія ритму, що виникає при розтягуванні м'язи, і супроводжується підвищенням частоти ПД, а внаслідок цього - посиленням скорочення. Скорочення, яке активізує процес розтягування, грає велику роль в саморегулювання базального тонусу кровоносних судин.
Механізм скорочення гладких м'язів. Обов'язковою умовою виникнення скорочення гладких м'язів, як і скелетних, е збільшення концентрації Са2 + в міоплазми (до 10в-5 М). Вважається, що процес скорочення активізується переважно позаклітинним Са 2+, що надходить в м'язові клітини через потенціалзалежні Са2 + -канали.
Особливість нервово-м'язової передачі в гладких м'язах полягає в тому, що іннервація здійснюється вегетативною нервовою системою і вона може надавати як збудливий, так і гальмівний вплив. За типом розрізняють холинергические (медіатор ацетилхолін) і адренергічні (медіатор норадреналін) медіатори. Перші зазвичай містяться в м'язах травної системи, другі - в м'язах кровоносних судин.
Один і той же медіатор в одних синапсах може бути збуджуючих, а в інших - гальмівним (в залежності від властивостей циторецепторів). Адренорецептори ділять на а-і В-. Норадреналін, впливаючи на а-адренорецептори, звужує кровоносні судини і гальмує моторику травного тракту, а впливаючи на В-адренорецептори, стимулює діяльність серця і розширює кровоносні судини деяких органів, розслаблює м'язи бронхів. Описано нервово-м'язово. ву передачу в гладких м'язах за допомогою і інших медіаторів.
У відповідь на дію збудливого медіатора відбувається деполяризація клітин гладких м'язів, яка проявляється у вигляді збудливого синаптичної потенціалу (ССП). Коли він досягає критичного рівня, виникає ПД. Це відбувається тоді, коли до нервового закінчення один за одним підходять кілька імпульсів. Виникнення ЗСГІ є наслідком збільшення проникності постсинаптичної мембрани для Na +, Са2 + і СІ ".
Гальмівний медіатор викликає гіперполяризацію постсинаптичної мембрани, що проявляється в гальмівному синаптического потенціал (ГСП). В основі гіперполяризації лежить підвищення проникності мембрани в основному для До +. Роль гальмівного медіатора в гладких м'язах, порушувані ацетилхолином (наприклад, м'язи кишки, бронхів), грає норадреналін, а в гладких м'язах, для яких збуджуючих медіатором є норадреналін (наприклад, м'язи сечового міхура), - ацетилхолін.
Клініко-фізіологічний аспект. При деяких захворюваннях, коли порушується іннервація скелетних м'язів, їх пасивне розтягування або зміщення супроводжується рефлекторним підвищенням їх тонусу, тобто стійкості до розтягування (спастичність або ригідність).
При порушенні кровообігу, а також під дією деяких продуктів метаболізму (молочної і фосфорної кислот), отруйних речовин, алкоголю, втоми, зниження температури м'язів (наприклад, при тривалому плаванні в холодній воді) після тривалого активного скорочення м'яза може виникати контрактура. Чим більше порушується функція м'яза, тим сильніше виражена контрактурно післядія (наприклад, контрактура жувальних м'язів при патології щелепно-лицевої ділянки). Яке походження контрактури? Вважається, що контрактура виникла внаслідок зменшення в м'язі концентрації АТФ, що призвело до утворення постійного зв'язку між поперечними містками і актиновими протофібрілл. При цьому м'яз втрачає гнучкість і стає твердим. Контрактура проходить, м'яз розслабляється, коли концентрація АТФ досягає нормального рівня.
При захворюваннях типу миотонии клітинні мембрани м'язів збуджуються так легко, що навіть незначне роздратування (наприклад, введення голчастого електрода при електроміографії) обумовлює розряд м'язових імпульсів. Спонтанні ПД (потенціали фібриляції) реєструються також на першій стадії після денервації м'язи (поки бездіяльність не призведе до його атрофії).
Гладкі м'язи - скорочувальна тканину, що складається з окремих клітин і не має поперечної смугастість (Рис. 1.). У гладком'язової клітини веретеноподібна форма, довжина якої приблизно 50 - 400 мкм і товщина 2-10 мкм. Окремі нитки з'єднані особливими міжклітинних контактів - десмосомами і утворюють мережу з вплетеними в неї колагеновими волокнами. Відсутність смугастість, характерною для серцевої і скелетної мускулатури, пояснюється нерегулярним розподілом миозинових і Актинові ниток. Коротшають гладкі м'язи також за рахунок ковзання миофиламентов відносно один одного, але швидкість ковзання і розщеплення АТФ тут в 100 - 1000 разів нижче, ніж у поперечно-смугастих м'язів. У зв'язку з цим гладкі м'язи особливо добре пристосовані для тривалого стійкого скорочення, що не приводить до стомлення і значних енерговитрат.
Гладкі м'язи входять до складу внутрішніх органів, судин і шкіри. Вони відрізняються наявністю цікавих функціональних особливостей: здатністю здійснювати щодо повільні рухи і тривалі тонічні скорочення. Повільні руху (скорочення), часто мають ритмічний характер скорочення гладких м'язів стінок порожнистих органів: шлунку, кишечника, проток травних залоз, сечового міхура, жовчного міхура, забезпечують переміщення вмісту цих органів. Прикладом є маятнікообразние і перистальтичні рухи кишечника. Тривалі тонічні скорочення гладких м'язів особливо різко виражені в сфінктерах порожнистих органів; їх тонічні скорочення перешкоджають виходу вмісту. Це забезпечує знаходження жовчі в жовчному міхурі і сечі в сечовому міхурі, формування калових мас в товстому кишечнику.
Показано будова (зліва) поперечносмугастих і гладких м'язів у хребетних і залежність між електричної (суцільні лінії) і механічною (пунктирні лінії) активністю (праворуч). А. Поперечно м'язи є багатоядерними клітинами циліндричної форми. У них генеруються швидкі потенціали дії і швидкі скорочення. Б. Волокна гладкою м'язи мають по одному ядру, невеликий розмір і веретеноподібну форму. Вони з'єднані між собою бічними поверхнями через щілинні контакти і утворюють електрично об'єднані групи клітин.
Іннервація дифузна, активація волокон здійснюється за рахунок вивільнення медіатора з розширень, розташованих уздовж вегетативного нерва. Незважаючи на те, що потенціали дії клітин гладких м'язів швидкі, результуючі скорочення розвиваються повільно і протікають довго.
У стані постійного тонічного скорочення знаходяться тонкі гладкі м'язи стінок кровоносних судин, особливо артерій і артеріол. Тонус м'язового шару стінок артерій регулює величину кров'яного тиску і кровопостачання органів.
Рухова іннервація гладких м'язів здійснюється відростками клітин вегетативної нервової системи, чутлива - відростками клітин симпатичних гангліїв. Тонус і рухова функція гладких м'язів регулюється також і гуморальними впливами.
Все гладкі м'язів можна розділити на дві групи:
1. Гладкі м'язи з миогенной активністю. У багатьох гладких м'язах кишечника (наприклад, сліпої кишки) одиночне скорочення, викликане потенціалом дії, триває кілька секунд. Отже, скорочення, такі з інтервалом менше 2 с, накладаються один на одного, а при частоті вище 1 Гц зливаються в більш-менш гладкий тетанус (тетанообразний тонус) (рис.2). Природа такого тетануса міогенна; на відміну від скелетного м'яза гладкі м'язи кишечника, сечоводу, шлунка і матки здатні до спонтанних тетанообразним скорочень після ізоляції і денервації і навіть при блокаді нейронів інтрамуральних гангліїв. Отже, їх потенціали дії не обумовлені передачею до м'яза нервових імпульсів, а мають миогенной походження.
Миогенной збудження виникає в клітинах-рітмоводітеля (пейсмекером), які ідентичні іншим м'язовим клітинам за структурою, але відрізняються електрофізіологічними властивостями. Пейсмекерного потенціали деполярізуют мембрану до порогового рівня, викликаючи потенціал дії. Через надходження в клітину катіонів (головним чином Са2 +) мембрана деполяризуется до нульового рівня і навіть на кілька мілісекунд змінює полярність до +20 мВ. Після реполяризації слід новий пейсмекерного потенціал, що забезпечує генерацію наступного потенціалу дії. При впливі на препарат товстої кишки ацетилхоліну пейсмекерного клітини деполярізуется до околопорогового рівня, і частота виникнення потенціалів дії зростає. Викликані ними скорочення зливаються до майже рівного тетануса. Чим вище частота проходження потенціалів дії, тим злите тетанус і тим сильніше скорочення, що виникає в результаті сумації одиночних скорочень. І, навпаки, нанесення на той же препарат норадреналіну гіперполяр утворює мембрану і в результаті знижує частоту виникнення потенціалів дії і величину тетануса. Такі механізми модуляції спонтанної активності пейсмекеров вегетативною нервовою системою і її медіаторами.
Рис.2.
Обробка ацетилхолином (стрілка) підвищує частоту виникнення потенціалів дії так, що поодинокі скорочення зливаються в тетанус. Нижня запис - часовий хід м'язового напруги.
2. Гладкі м'язи без миогенной активності. На відміну від м'язів кишечника у гладких м'язів артерій, насінних протоків, райдужки, а також у війкових м'язів спонтанна активність зазвичай слабка або її взагалі немає. Їх скорочення виникає під дією імпульсів, що надходять до цих м'язів по вегетативним нервам. Такі особливості обумовлені структурною організацією їх тканини. Хоча клітини в ній електрично пов'язані Нексус, багато хто з них утворюють прямі синаптичні контакти з іннервують їх аксонами, але звичних нейро-м'язових синапсів в гладком'язових тканини не утворюють. Вивільнення медіатора відбувається з численних потовщень (розширень), розташованих по довжині вегетативних аксонів (Рис. 1).
Медіатори досягають шляхом дифузії м'язових клітин і активізують їх. При цьому в клітинах виникають збуджуючі потенціали, що переходять в потенціали дії, які викликають тетанообразное скорочення.
Функції і властивості гладких м'язів
Електрична активність. Вісцеральні гладкі м'язи характеризуються нестабільним мембранним потенціалом. Коливання мембранного потенціалу незалежно від нервових впливів викликають нерегулярні скорочення, які підтримують м'яз в стані постійного часткового скорочення - тонусу. Тонус гладких м'язів чітко виражений в сфінктерах порожнистих органів: жовчному, сечовому міхурах, в місці переходу шлунка в дванадцятипалу кишку і тонкої кишки в товсту, а також в гладких м'язах дрібних артерій і артеріол. Мембранний потенціал гладком'язових клітин не є відображенням істинної величини потенціалу спокою. При зменшенні мембранного потенціалу м'яз скорочується, при збільшенні - розслабляється.
Автоматия. ПД гладких м'язових клітин мають авторітміческій (пейсмекерного) характер, подібно потенціалом провідної системи серця. Пейсмекерного потенціали реєструються в різних ділянках гладкої м'язи. Це свідчить про те, що будь-які клітини вісцеральних гладких м'язів здатні до мимовільної автоматичної активності. Автоматия гладких м'язів, тобто здатність до автоматичної (спонтанної) діяльності, притаманна багатьом внутрішнім органам і судинах.
Реакція на розтягнення. Унікальною особливістю вісцеральної гладких м'язів є її реакція на розтягнення. У відповідь на розтягнення гладка м'яз скорочується. Це викликано тим, що розтягнення зменшує мембранний потенціал клітин, збільшує частоту ПД і в кінцевому підсумку - тонус гладкої мускулатури. В організмі людини це властивість гладкої мускулатури служить одним із способів регуляції рухової діяльності внутрішніх органів. Наприклад, при наповненні шлунку відбувається розтягнення його стінки. Збільшення тонусу стінки шлунка у відповідь на його розтягнення сприяє збереженню обсягу органу і кращому контакту його стінок з надійшла їжею. У кровоносних судинах розтягнення, створюване коливаннями кров'яного тиску, є основним фактором миогенной саморегуляції тонусу судин. Нарешті, розтягнення мускулатури матки зростаючим плодом є однією з причин початку пологової діяльності.
Пластичність. Ще однією важливою специфічною характеристикою гладких м'язів є мінливість напруги без закономірного зв'язку з її довжиною. Так, якщо розтягнути висцеральную гладку м'яз, то її напруга буде збільшуватися, однак якщо м'яз утримувати в стані подовження, викликаним розтягуванням, то напруга буде поступово зменшуватися, іноді не тільки до рівня, що існував до розтягування, але і нижче цього рівня. Це властивість називається пластичністю гладких м'язів. Таким чином, гладка м'язи більш схожа на тягучу пластичну масу, ніж на малоподатлівую структуровану тканину. Пластичність гладкої мускулатури сприяє нормальному функціонуванню внутрішніх порожнистих органів.
Зв'язок порушення зі скороченням. Вивчати співвідношення між електричними і механічними проявами в вісцеральної гладкою м'язі важче, ніж в скелетної або серцевої, так як вісцеральна гладка м'яз знаходиться в стані безперервної активності. В умовах відносного спокою можна зареєструвати одиночний ПД. В основі скорочення як скелетної, так і гладких м'язів лежить ковзання актину по відношенню до міозин, де іон Са2 + виконує триггерную функцію.
У механізмі скорочення гладких м'язів є особливість, що відрізняє його від механізму скорочення скелетного м'яза. Ця особливість полягає в тому, що перш ніж міозин гладких м'язів зможе проявляти свою АТФазной активність, він повинен бути фосфорильованій. Фосфорилювання і дефосфорілірованіе міозину спостерігається і в скелетному м'язі, але в ній процес фосфорилювання не є обов'язковим для активації АТФазной активності міозину.
Хімічна чутливість. Гладкі м'язи мають високу чутливість до різних фізіологічно активних речовин: адреналіну, норадреналіну, АХ, гістаміну та ін. Це обумовлено наявністю специфічних рецепторів мембрани гладком'язових клітин. Якщо додати адреналін або норадреналін до препарату гладких м'язів кишечника, то збільшується мембранний потенціал, зменшується частота ПД і м'яз розслабляється, т. Е. Спостерігається той же ефект, що і при збудженні симпатичних нервів.
Норадреналін діє на б-і в-адренорецептори мембрани гладком'язових клітин. Взаємодія норадреналіну з в-рецепторами зменшує тонус м'язи в результаті активації аденілатциклази і освіти циклічного АМФ і подальшого збільшення зв'язування внутрішньоклітинного Са2 +. Вплив норадреналіну на б-рецептори гальмує скорочення за рахунок збільшення виходу іонів Са2 + з м'язових клітин.
АХ надає на мембранний потенціал і скорочення гладкої мускулатури кишечника дію, протилежне дії норадреналіну. Додавання АХ до препарату гладких м'язів кишечника зменшує мембранний потенціал і збільшує частоту спонтанних ПД. В результаті збільшується тонус і зростає частота ритмічних скорочень, т. Е. Спостерігається той же ефект, що і при порушенні парасимпатичних нервів. АХ деполяризує мембрану, збільшує її проникність для Na + і Са +.
Гладкі м'язи деяких органів реагують на різні гормони. Так, гладка мускулатура матки у тварин в періоди між овуляцією і при видаленні яєчників щодо невозбудімості. Під час тічки або у тварин, позбавлених яєчників, яким вводився естроген, збудливість гладкої мускулатури зростає. Прогестерон збільшує мембранний потенціал ще більше, ніж естроген, але в цьому випадку електрична і скорочувальна активність мускулатури матки загальмовується.
Як і в скелетному м'язі, пусковим стимулом для скорочення більшості гладких м'язівє збільшення кількості внутрішньоклітинних іонів кальцію. У різних типах гладких м'язів це збільшення може бути викликане нервової стимуляцією, гормональної стимуляцією, розтягуванням волокна або навіть зміною хімічного складу навколишнього волокно середовища.
Однак в гладких м'язах немає тропонина(Регуляторного білка, який активується кальцієм). Скорочення гладких м'язів активується зовсім іншим механізмом, викладеним далі.
З'єднання іонів кальцію з кальмодулином. Активація міозінкінази і фосфорилювання головки міозину.
замість тропонинагладеньких м'язів містять велику кількість іншого регуляторного білка, званого кальмодулином. Хоча цей білок схожий на тропонин, він відрізняється способом запуску скорочення. Кальмодулін робить це шляхом активації миозинових поперечних містків. Активація і скорочення здійснюються в такій послідовності.
1. Іони кальцію зв'язуються з кальмодулином.
2. Комплекс кальмодулін-кальцій з'єднується з фосфорилюються ферментом міозінкіназой і активує її.
3. Одна з легких ланцюжків кожної головки міозину, звана регуляторної ланцюжком фосфорилюється під дією міозінкінази. Коли ця ланцюжок не фосфорильованій, циклічного прикріплення та відділення міозіновой головки по відношенню до актиновой нитки не відбувається. Але при фосфорилировании регуляторної ланцюжка головка набуває здатності до повторного зв'язування з актиновой ниткою і здійсненню всього циклічного процесу періодичних «підтягувань», що лежать в основі скорочення, як і в скелетному м'язі.
припинення скорочення. Роль міозінфосфатази. Коли концентрація іонів кальцію падає нижче критичного рівня, викладені процеси автоматично розвиваються в зворотному напрямку, крім фосфорилювання головки міозину. Для зворотного розвитку цього стану потрібен інший фермент - міозінфосфатаза, який локалізується в рідинах гладком'язової клітини і отщепляет фосфатазу від регуляторної легкого ланцюжка. Після цього циклічна активність, а значить і скорочення, припиняється.
Отже, час, необхідне для розслаблення м'язи, У великій мірі визначається кількістю активної міозінфосфатази в клітці.
Можливий механізм регуляції механізму «засувки». У зв'язку з важливістю механізму «засувки» в функції гладких м'язів робляться спроби пояснити це явище, оскільки воно робить можливим довготривале підтримання тонусу гладких м'язів багатьох органів без значних енергетичних витрат. Серед багатьох запропонованих механізмів наводимо один з найпростіших.
Коли сильно активовані і міозінкіназа, І міозінфосфатаза, частота циклів міозину-вих головок і швидкість скорочення високі. Потім, коли активація ферментів знижується, частота циклів зменшується, але в той же час деактивация цих ферментів дозволяє міозит-новим машинам залишатися прикріпленими до Актинові ниток протягом все більш тривалої частини циклу. Отже, число головок, прикріплених до актиновой нитки в будь-який даний момент часу, залишається великим.
оскільки число прикріплених до актину головоквизначає статичну силу скорочення, напруга утримується, або «замикається». Однак енергії при цьому використовується мало, оскільки розщеплення АТФ до АДФ не відбувається, за винятком тих рідкісних випадків, коли яка-небудь головка від'єднується.
м'язової тканини
Еферентна іннерваціягладкою м'язової тканини здійснюється як симпатичним (норадренергічну іннервація), так і парасимпатичних (холінергічних іннервація) відділами вегетативної нервової системи, які надають протилежну дію на скоротливу активність м'язової тканини. Описана також її серотонинергическая і пептідергаческая іннервація. Нервові закінчення виявляються лише на окремих клітинах і мають вигляд варикозних розширених ділянок тонких гілочок аксонів. На сусідні міоцити збудження передається за допомогою щілинних з'єднань.
аферентна іннерваціязабезпечується гілочками нервових волокон, що утворюють вільні закінчення в гладкою м'язової тканини.
Гуморальна регуляція активності гладкої м'язової тканини.Гормони та інші, біологічно активні речовини, впливають на скоротливу активність гладкої м'язової тканини (неоднакове в різних органах) внаслідок наявності на її клітинах відповідних наборів рецепторів. До таких речовин відносяться гістамін, серотонін, брадикінін, ендотелін, окис азоту, лейкотрієни, простагландини, нейротензін, речовина Р, холецистокінін, вазоактіний інтерстінальний пептид (ВІП), опіоїди і ін. Скорочення міоцитів матки в кінці вагітності і під час пологів стимулюються гормоном окситоцином ; естрогени підвищують, а прогестерон знижує їх тонус.
Миогенная активність гладкої м'язової тканини.Фізіологічним подразником гладких міонітов служить їх розтягнення, яке викликає деполяризацію сарколеми і приплив іонів Са 2+ в саркоплазму. Гладка м'язова тканина характеризується спонтанною ритмічної активністю (автоматией) внаслідок циклічно змінюється активності кальцієвих насосів в антисарколемальних. Спонтанна активність найбільш виражена в гладкою м'язової тканини кишки, матки, сечовивідних шляхів, вона значно слабкіше в м'язовій тканині кровоносних судин. Для автоматии найбільш типові цикли скорочення і розслаблення із середнім періодом близько 1 хв. (Від 0.5 до 2 хв). У звичайних умовах на цей міогенний ритм активності впливають нервові і гормональні сигнали, які посилюють, послаблюють, координують і синхронізують скоротливу діяльність міоцитів.
Фізіологічна регенерація гладкою м'язової тканиниздійснюється постійно на субклітинному рівні шляхом поновлення клітинних компонентів.
Гіпертрофія гладкої м'язової тканинислужить її реакцією на підвищення функціонального навантаження, зазвичай пов'язане з її розтягуванням.
НЕРВОВА ТКАНИНА
Нервова тканина складається з нейронів (нейроцитів, власне нервових клітин), що володіють здатністю до вироблення і проведення нервових імпульсів, і клітин нейроглії, яка виконує ряд допоміжних функцій (опорну, трофічну, бар'єрну, захисну і ін.) І забезпечує діяльність нейронів. Нейрони і нейроглії (за винятком однієї з її різновидів - мікроглії) є похідними нейронального зачатка.
нейрони
Нейрони (нейроцита, власне нервові клітини) - клітини різних розмірів (які варіюють від найдрібніших в організмі - у нейронів з діаметром тіла 4-5 мкм - до найбільш великих з діаметром тіла близько 140 мкм). Їх загальна кількість в нервовій системі людини перевищує 100 млрд. (10 11), а за деякими оцінками сягає одного трильйона (10 12). До народження нейрони втрачають здатність до поділу, тому протягом постнатальної життя їх кількість не збільшується, а, навпаки, в силу природних втрат клітин, поступово знижується.
