Лекция биохимия мышц для студентов 2 курса лечебного и санитарно-профилактического факультетов

1. 
   Основные белки миофибрил и их молекулярное строение.
   
2. 
   Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления.
   
3. 
   Роль градиента одновалентных ионов и ионов Са в регуляции мышечного сокращения.
   
4. 
   Особенности обмена веществ в сердечной мышце.
   
5. 
   Биохимические изменения в мышцах при патологии.
   

Интерес биохимии к процессам происходящим в сокращающихся мышцах основан не только на выяснении механизмов мышечных болезней, но и что может быть даже более важным – это раскрытие механизма превращения электрической энергии в механическую, минуя сложные механизмы тяг и передач.

Для того, чтобы понять механизм и биохимические процессы происходящие в сокращающихся мышцах, необходимо заглянуть в строение мышечного волокна. Мышечная ткань составляет 40–42% от массы тела. Основная динамическая функция мышц обеспечить подвижность путем сокрашения и последующего расслабления.

О
бычно принято различать три типа мышечной ткани: скелетную мускулатуру, сердечную мышцу и гладкую мускулатуру. Существует также деление на гладкие и поперечнополосатые мышцы. К поперечно-полосатым мышцам, помимо скелетных, относятся также мышцы языка и верхней трети пищевода, внешние мышцы глазного яблока и некоторые другие. В морфологическом отношении миокард относятся к поперечнополосатой мускулатуре, но по ряду других признаков он занимает промежуточное положение между гладкими и поперечно-полосатыми мышцами.

Рис. Строение миофибрилл.
Морфологическая организация мышечной ткани.

Скелетные поперечно-полосатые мышцы позвоночных состоят из паралельных пусков мышечных волокон. Каждое волокно представляет собой одну многоядерную клетку. Большую часть объема мышечных клеток занимают миофибриллы толщиной 1-2мкм, простирающиеся на всю длину мышечного волокна. Поперечная исчерченность их связана с чередованием различных по толщине молекул.

Сократительные элементы, саркомеры, состоят из 2 типов паралельных нитей: толстых филаментов миозина и тонких филаментов Ф-актина. Миозиновые и актиновые нити – главный компонент всех сократительных систем в организме. Электронно-микроскопическое изучение показало строго упорядоченное расположение миозиновых и актиновых нитей в миофибрилле. Функциональной единицей миофибриллы является саркомер – участок миофибриллы между двумя Z-пластинками. Саркомер включает в себя пучок миозиновых нитей, серединой сцепленных по так называемой М-пластине, и проходящих между ними волокон актиновых нитей, которые в свою очередь прикреплены к Z-пластинам. Темные области А-диска содержат как тонкие, так и толстые нити; центральная Н-зона – только нити миозина. Z-линии соответствуют тем участкам, где тонкие тини крепятся к Z-дискам. Саркомером называется продольная единица, органиченная двумя Z-линиями.

Строение миозиновых нитей

В количественном отношении наиболее важным белком миофибрилл является миозин (приблизительно 65% мышечного белка). Миозиновые нити образованы белком миозином, молекула которого содержит две идентичные тяжелые полипептидные цепи с молекулярной массой около 200 000 и четыре легкие цепи (около 20 000), связанных нековалентно. Каждая тяжелая цепь имеет форму длинного стержня длиной 150нм с глобулярной головкой на N-конце и напоминает клюшку для гольфа. На большей части своей длины имеет конформацию -спирали, и обе тяжелые цепи скручены между собой, образуя часть молекулы в форме палочки. С противоположных концов каждой цепи присоединены по две легкие цепи, вместе с глобулярной формой этих концов цепи они образуют «головки» молекул. Палочкообразные концы молекул могут соединяться друг с другом продольно, образуя пучки, головки молекул при этом располагаются кнаружи от пучка по спирали. Кроме того, в области М-линии пучки соединяются между собой «хвост в хвост». Каждая миозиновая нить содержит около 400 молекул миозина. Головка молекулы миозина обладает Са-зависимой АТФ-азной активностью, которая регулируется малыми субъединицами.

Строение актиновых нитей

Главным белком тонких нитей является актин (20-30% мышечного белка). Фибрилярный Ф-актин является важным структурным элементом цитоскелета и находится с глобулярным G-актином. В состав актиновых нитей входят белки актин, тропомиозин и тропонин. Основу составляют молекулы актина. Сам белок актин – глобулярный белок с молекулярной массой 43 000 и шарообразной формой молекулы. Нековалентно соединяясь, глобулярный актин образует фибриллярный актин, напоминая по форме две скрученные между собой нитки бус.

молекулы актина

молекулы тропонина молекулы тропомиозина

Другой белок, входящий в актиновые нити – тропомиозин – имеет форму палочек, он располагается вблизи желобков спиральной ленты фибриллярного актина, вдоль нее. Размер его в длину в 8 раз больше размера глобулярного актина, потому одна молекула тропомиозина контактирует сразу с семью молекулами актина и концами связаны друг с другом, образуя третью продольную спирально закрученную цепочку.

Третий белок актиновых нитей – тропонин – состоит из трех разных субъединиц и имеет глобулярную форму. Он нековалентно связан и с актином и тропомиозином таким образом, что на одну молекулу тропонина приходится одна молекула тропомиозина, кроме того, одна из его субъединиц содержит Ca-связывающие центры. Тонкие актиновые нити прикреплены к Z-пластинам, тоже белковым структурам.

Сокращение происходит путем скольжения тонких актиновых и толстых миозиновых нитей навстречу друг другу или вдвигания актиновых нитей между миозиновыми в направлении М-линии. Максимальное укорочение достигается тогда, когда Z-пластинки, к которым прикреплены актиновые нити, приближаются к концам миозиновых нитей. При сокращении саркомер укорачивается на 25-50%. Саркоплазма, вмещающая миофибриллы, пронизана между ними сетью цистерн и трубочек эндоплазматического ретикулума, а также системой поперечных трубочек, которые тесно контактируют с ним, но не сообщаются.

Сокращение мышц есть результат укорочения каждого саркомера, максимальное укорочение саркомера достигается тогда, когда Z-пластинки, к которым прикреплены актиновые нити, приближаются вплотную к концам миозиновых нитей.

В сокращении мышц у актиновых и миозиновых нитей свои роли: миозиновые нити содержат активный центр для гидролиза АТФ, устройство для превращения энергии АТФ в механическую энергию, устройство для сцепления с актиновыми нитями и устройства для восприятия регуляторных сигналов со стороны актиновых нитей, актиновые нити имеют механизм сцепления с миозиновыми нитями и механизм регуляции сокращения и расслабления.

Сокращение мышцы включается потенциалом действия нервного волокна, который через нервно-мышечный синапс при посредстве медиатора трансформируется в потенциал действия сарколеммы и трубочек Т-системы. Ответвления трубочек окружают каждую миофибриллу и контактируют с цистернами саркоплазматического ретикулума. В цистернах в значительной концентрации содержится Ca. Потенциал действия, поступающий по трубочкам, вызывает высвобождение ионов Ca²⁺ из цистерн саркоплазматического ретикулума. Ионы Ca²⁺ присоединяются к Сa-связывающей субъединице тропонина. В присутствии ионов Ca²⁺ на мономерах актиновых нитей открываются центры связывания миозиновых головок, причем по всей системе тропонин – тропомиозин – актин. Как результат этих изменений – миозиновая головка присоединяется к ближайшему мономеру актина.

Головки миозина обладают высоким сродством к АТФ, так что в мышце большинство головок содержит связанный АТФ. Присоединение головки миозина к актину, активирует АТФ-азный центр, АТФ гидролизуется, АДФ и фосфат покидают активный центр, что приводит к изменению конформации миозина: возникает дополнительное напряжение, стремящееся уменьшить угол между головкой и хвостом молекулы миозина, т.е. наклонить головку в направлении М-линии. Поскольку миозиновая головка соединена с актиновой нитью, то, наклоняясь в сторону М-линии она смещает в этом же направлении и актиновую нить.

АДФ, высвобождаемые с множества головок проходят следующую трансформацию:

2 АДФ  АТФ + АМФ

Освобожденные от АТФ головки снова притягивают к себе АТФ в связи с его высоким сродство, о чем уже упоминалось выше, присоединение АТФ уменьшает сродство миозиновой головки с актиновыми нитями и миозин возвращается в исходное состояние. Далее повторяется весь цикл с самого начала, но поскольку в предыдущем цикле актиновая нить за счет своего движения приблизила Z-пластинку, то та же самая головка миозина присоединяется уже к другому мономеру актина ближе к Z-пластинке.

С

отни миозиновых головок каждой миозиновой нити работают одновременно, втягивая, таким образом, актиновую нить.

Сокращение мышечных волокон обусловлено продольным скольжением толстых миозиновых и тонких актиновых филаментов относительно друг друга. Сокращение мышечных волокон является результатом следующего цикла реакций:

1. В отсутствии АТФ (исходное состояние) головки молекул миозина прочно связаны с актиновыми нитями. При связывании АТФ головки отделяются от актиновых нитей.

2. АТФ-аза головок миозина гидролизует АТФ на АДФ и Рн, но продолжает удерживать оба продукта реакции близко друг от друга. Гидролиз АТФ вызывает аллостерические изменения в миозиновой головке.

3. Теперь головка миозина образует новый мостик с соседней молекулой актина

4. Актин ускоряет выброс продуктов АТФ-азной реакции из активного центра миозина. Это приводит к преобразованию аллостерического напряжения и изменению конформации головки миозина, которое действует подобно «удару весла». Во время этого гредка миозиновые головки отклоняются на определенный угол от оси и перемещают миозиновый филамент вдоль актинового филамента по направлению к Z-диску. Цикл повторяется до тех пор, пока имеется АТФ.

Каждый гребок 500 актиновых головок толстого филамента вызывает смещение на 10нм. Во время сильных сокращений частота гребков составляет примерно 5 раз в сек. При каждом цикле гидролиза АТФ головки миозина взаимодействуют с новыми молекулами актина, за счет чего и происходит взаимное скольжение миозиновых и актиновых филаментов, т.е. сокращение мышечного волокна.
Источники энергии мышечного сокращения.

Скелетная мышца, работающая с максимальной интенсивностью, потребляет в сотни раз больше энергии, чем покоящаяся, причем переход от состояния покоя к состоянию максимальной работы происходит за доли секунды. В связи с этим у мышц совсем по-другому построен механизм изменения скорости синтеза АТФ в очень широких пределах.

Как уже упоминалось, при мышечном сокращении большое значение имеет процесс синтеза АТФ из АДФ, высвобождаемых из миозиновых головок. Это происходит при помощи, имеющегося в мышцах высокоэнергетического вещества креатинфосфата, которое образуется из креатина и АТФ при действии креатинкиназы:
NH NH

II II

I I

I I

I I

Мышечная клетка обладает возбудимостью и сократительной способностью, одновременно и в ходе цикла сокращения и расслабления мышц действуют три самостоятельных АТФ-зависимых механизма: натриевый насос клеточной мембраны, кальциевый насос внутри самой клетки и механизм, превращающий химической энергии гидролиза АТФ в механическую энергию сокращения. Функционирование Na⁺ ,К⁺-АТФ-азной системы клеточной мембраны мышц или сарколеммы, приводит перемещению К⁺ во внутрь, а Na⁺ наружу против градиентов их концентрации. Стимуляция мышцы осуществляется посредством волны деполяризации. В результате этого вся мыщца отвечает на сократительный стимул как единое целое. После совершения мыщечной работы происходит возврашение к исходному состоянию ионных градиентов и реполяризация сарколеммы.

При поступлении сигнала от двигательного нейрона мембрана мышечной клетки деполяризуется, сигнал передается на Са-каналы саркоплазматического ретикулума. Са-каналы открываются, внутриклеточный уровень ионов Са возрастает и происходит быстрое связывание Са с С-субъединицей тропонина, что влечет за собой разрушение комплекса тропонин-тропомиозин и дает возможность головкам миозина связываться с актином. Происходит инициация актин-миозинового цикла.

1. 
   Резерв в виде креатинфосфата. Быстрая регенерация АТФ может быть достигнута за счет переноса фосфатной группы креатинфосфата на АДФ при участии креатинкиназы.
   

2. 
   Анаэробный гликолиз. В мышечной ткане наиболее важным долгосрочным энергетическим резервом является гликоген. В покоящейся ткане содержание гликогена составляет около 2% от мышечной массы. При участии фосфорилазы гликоген расцепляется на Г6Ф с последующим превращением в пируват или лактат, который при участии глюкозо-аланинового и Кори цикла превращается в глюкозу.
   
3. 
   Окислительное фосфорилирование. Он является наиболее эффективным и постоянно действующим путем синтеза АТФ. Однако этот путь реализуется при хорошом кровоснабжении мышц.
   
4. 
   Образование инозинмонофосфата. Другим источником быстрого восстановления уровня АТФ является конферсия АДФ в АТФ и АМФ, катализируемой миокиназой. Образовавшийся АМФ за счет дезаминирования превращается в ИМФ, что сдвигает реакцию в нужном направлении.
   

При повреждении нервных стволов, несущих импульсы от коры головного мозга, наступает атрофия мыщц, которая сопровождается уменьшением содержания миофибрилярных белков, возрастание концентрации белков стромы и некоторых саркоплазматических белков, в том числе миоальбумина. Снижается уровент АТФ и креатинфосфата, снижение АТФ-азной активности миозина. Отмечаются сдвиги в фосфолипидном составе: сниженин ФХ и ФЭА, повышение СМ и ЛФ. Карушвется метаболизм креатина, отмечается креатинурия в результате нарушения его удерживания и фосфорилирования, снижается уровень креатинита, возрастает креатиновый показатель. Снижается активность ферментов в мышцах, возрастает активность лизосомальных ферментов, снижается способность аденилатциклазы под действием адреналина. Нередко причиной атрофии мышц является недостаток в пище витамина Е, который имеет прямое отношение к обмену креатина в организме.