? Блокада синаптической передачи антагонистами ацетилхолина. Синаптические антагонисты ? это некоторые молекулы, которые, связываясь с синаптическими рецепторами, не вызывают изменений проводимости, поскольку, занимая рецептор, они препятствуют действию медиаторов или их агонистов. (Агонисты ? это вещества, способные связываться с рецептором и полностью заменять медиатор. К агонистам ацетилхолина в концевой пластинке относятся, например, карбамилхолин или суберилдихолин). Связывание антагонистов может быть обратимым: спустя определенный период времени антагонист отделится от рецептора. Такие вещества называют конкурентными антагонистами, так как они конкурируют с медиаторами и их агонистами за участки связывания. К этим веществам относятся кураре и курареподобные вещества (диплацин, тубокурарин и др.). Эти вещества являются конкурентными антагонистами ацетилхолина: обратимо связываются с Н-холинорецепторами постсинаптической мембраны и блокируют действие на нее ацетилхолина. Яд кураре (d-тубокурарин) давно известен в Южной Америке. Индейцы использовали его для отравления своих стрел. По мере повышения его концентрации он блокирует все больше рецепторов, и эффект ацетилхолина ослабляется из-за уменьшения доступных мест связывания. Под действием кураре потенциал концевой пластинки снижается и при достаточной дозе яда уже не может достичь порогового уровня, т.е. мышца парализуется. Кураре и аналогичные вещества часто используются в качестве мышечных релаксантов при наркозе. Разумеется, во время полного мышечного расслабления требуется искусственное дыхание.

Другую форму такого расслабления обеспечивает антагонист ацетилхолина с пролонгированным действием, вызывающий устойчивую деполяризацию концевой пластинки. Этот деполяризующий мышечный релаксант инактивирует Nа+-каналы в мембране мышечного волокна и в результате предотвращает его естественное возбуждение (сукцинилхолин, декаметоний).

? Действие антагонистов холинорецепторов, необратимо связывающихся с холинорецепторами.Необратимо связывает холинорецепторы и полностью блокирует передачу возбуждения через синапс полипептид из яда змей б-бунгаротоксин.

Таким образом, действуя на холинорецептор вещества могут блокировать рецептор путем необратимого связывания с ним (б-бунгаротоксин) или длительно вытеснять ацетилхолин (кураре и курареподобные вещества); инактивировать (стойко деполяризовать) рецептор (сукцинилхолин, декаметоний).

?Нарушение нервно-мышечной передачи под действием ингибиторов холинэстеразы. Значение фермента холинэстеразы для синаптической передачи в концевой пластинке хорошо заметно при его блокаде ингибиторами, Ряд веществ подавляют активность холинэстеразы, разрушающей ацетилхолин в синаптической щели. Ингибиторы холинэстеразы используются в медицинской практике для устранения мышечного расслабления при наркозе (лечебные дозыпрозерина и эзерина), а также при заболеваниях типа миастении (см. ниже). При небольшой ее инактивации происходят умеренное накопление ацетилхолина и облегчение синаптической передачи. С другой стороны, известны отравления людей инсектицидами на основе этих ингибиторов. В основе действия фосфорорганических отравляющих веществ также лежит угнетение фермента холинэстеразы. При этих отравлениях возникают судороги - результат пролонгированной активации ацетилхолинергических синапсов, особенно в вегетативной нервной системе. При большой инактивации ацетилхолинэстеразы и значительном накоплении ацетилхолина синаптическая передача блокируется -- развивается синаптическая депрессия и возможна смерть.

? Химическое (фармакологическое) угнетение механизмов обратного захвата медиаторов или продуктов их распада. Во всех подробно изученных синапсах медиатор либо быстро разрушается, либо поглощается из синаптической щели через мембраны клеток. Мембранные транспортные механизмы особенно важны в случае адреналина, норадреналина, ГАМК и глутамата. В ацетилхолинергических синапсах транспортируется не сам ацетилхолин, а продукт его расщепления холин. Удаляемое вещество поступает в пресинаптическое окончание, что снижает потребность в ресинтезе медиатора. Подобно холинэстеразе, такие транспортные механизмы служат мишенями для действия многих важных лекарственных веществ, влияющих на синаптическую передачу.

? Уменьшение количества синаптических рецепторов. Примером подобного нарушения может служить тяжелая миастения (myasthenia gravis) ? относительно хорошо изученное глобальное нарушение функции нервно-мышечных синапсов. При этом заболевании тонус и сокращения скелетных мышц ослабевают; например, больные не в состоянии держать открытыми глаза или же с трудом передвигаются. Причина заключается в снижении плотности субсинаптических рецепторов ацетилхолина. Сам медиатор высвобождается в нормальных количествах, однако, связывается лишь с малым их числом; в результате потенциал концевой пластинки может не достигать порогового уровня, необходимого для возбуждения мышцы. Уменьшение количества функциональных ацетилхолиновых рецепторов обусловлено аутоиммунной реакцией: организм больного вырабатывает антитела, разрушающие или сокращающие время жизни собственных ацетилхолиновых рецепторов. При таком состоянии очень хорошо помогают ингибиторы холинэстеразы (амбеноний, неостигмин, пиридостигмин), позволяющие высвобождаемому в синапсах ацетилхолину действовать дольше, чем в норме, вызывая, таким образом, достаточную деполяризацию мембраны во время потенциала концевой пластинки.

2.2.2 Электрическая синаптическая передача возбуждения

После того как концепция химической синаптической передачи стала общепринятой, примерно между 1930 и 1950 гг., к большому удивлению специалистов выяснилось, что межклеточная передача возбуждения может осуществляться и электрическим способом [Furshpan,Potter,1959]. Две соседние клетки прилегают друг к другу так тесно, что сопротивление двух их мембран протекающему через них электрическому току сравнимо с сопротивлением остальной, внесинаптической области мембраны. При возбуждении 1-ой клетки натриевый ток (INa) входит в нее через открытые Nа-каналы и выходит через пока невозбужденные участки мембраны; при этом часть тока входит через участок мембранного контакта во 2-ю клетку, вызывая ее деполяризацию. Разумеется, здесь уровень деполяризации гораздо ниже - скажем, в 10 раз, чем в 1-ой клетке, однако он может оказаться выше порога генерирования потенциала действия во 2-ой клетке. Часто такая деполяризация подпороговая, и тогда 2-ая клетка возбуждается только в результате суммации синаптических потенциалов, возникающих в результате химической или электрической передачи от других клеток.

Итак, перечислим основные характеристики, которые отличают химическую синаптическую передачу от электрической.

1. В химическом синапсе постсинаптический ток генерируется за счет открывания каналов в постсинаптической мембране и обусловлен ионными градиентами постсинаптической клетки.

2. В электрическом синапсе источник постсинаптического тока - мембрана пресинаптической клетки. Здесь нет химического медиатора, и все факторы, влияющие на его высвобождение и действие (например, снижение внеклеточной концентрации Са2+ или устранение разрушающих медиатор ферментов), на передаче возбуждения не сказываются.

Щелевые контакты. Ионы, переносящие электрические токи, не могут проходить через липидные мембраны, следовательно, для их транспорта в «мембранных контактах» между электрически сопряженными клетками необходимы канальные белки. Такие межклеточные связи называются нексусами, или «щелевыми контактами» (рис.9). В каждой из двух соседних клеточных мембран находятся регулярно распределенные через небольшие промежутки коннексоны, пронизывающие всю толщу мембраны; они расположены так, что в месте контакта клеток находятся друг против друга и их просветы оказываются на одной линии. У образованных таким образом каналов крупные диаметры и, значит, высокая проводимость для ионов: через них могут проходить даже относительно крупные молекулы с молекулярной массой до 1000 (около 1.5 нм в поперечнике). Коннексон состоит субъединиц числом до шести с молекулярной массой примерно 25000 каждая. Щелевые контакты обычны для ЦНС позвоночных и, как правило,соединяютгруппы синхронно функционирующих клеток. Такие контакты характерны также длябеспозвоночных. Функциональные синцитии. В тканях, не относящихся к нервной системе, клетки тоже очень часто соединены щелевыми контактами.

Рис.9. Ультраструктура нексуса (щелевого контакта). В пре- и постсинаптической мембранах регулярно распределены «коннексоны», находящиеся точно друг против друга. Внутри них есть просвет, так что каждая пара расположенных по одной линии коннексонов образует канал, через который сообщаются две клетки.

Говоря о передаче возбуждения, стоит, прежде всего, упомянуть миокард и гладкую мускулатуру, где эти контакты создают функциональный синцитий. Возбуждение здесь переходит от одной клетки к другой без заметной паузы или снижения амплитуды потенциала действия на границе.

Для таких органов важна регулируемость щелевых контактов; в самом деле, их каналы закрываются при снижении рН или повышении концентрации Са2+. Это неизбежно происходит в случае повреждения клеток или глубокого нарушения обмена. За счет такого механизма пораженные места изолируются от остальной части функционального синцития, и распространение патологии ограничивается (например, при инфаркте миокарда). Кроме этих возбудимых тканей существует и много других (в частности, все эпителии, печень), где клетки также соединены щелевыми контактами. В принципе такая связь присуща любой клетке на ранних стадиях эмбрионального развития, когда все клетки соединены между собой щелевыми контактами и сохраняют их до стадии дифференцировки органов.

Роль таких контактов у невозбудимых клеток неясна. Через них возможен обмен многими мелкими молекулами; не исключено, что это важно для метаболизма. Через щелевые контакты могли бы также диффундировать внутриклеточные вторые посредники, передавая по ткани сигналы, регулирующие клеточные процессы.

Учитывая широкое распространение щелевых контактов, кажется удивительным, почему в нервной системе они не используются для синаптической передачи повсеместно. Видимо, сложнее организованные химические синапсы обеспечивают настолько более высокую специфичность и регулируемость межклеточной коммуникации, что в значительной степени вытеснили электрические.

Тормозные электрические синапсы. Щелевой контакт наиболее распространенный тип электрического синапса. Однако существуют и другие. Например, электрическим путем может передаваться и торможение. В этом случае потенциал действия особым образом расположенных пресинаптических волокон генерирует во внеклеточном пространстве вокруг постсинаптического аксона местный положительный потенциал такой амплитуды, что деполяризация аксона не может достичь порогового уровня, и проведение по нему потенциала действия блокируется.

Эфаптическая передача. При некоторых заболеваниях аксоны повреждаются. После перерезки аксона дегенерирует не только его дистальная, но и проксимальная часть. В периферической нервной системе он через несколько недель регенерирует, но его отрастающие участки сначала немиелинизированы. При невропатиях разнообразного происхождения аксоны также теряют свою миелиновую оболочку, становясь демиелинизированными. Кроме того, встречаются аксонные невропатии, главный симптом которых, вероятно, является нарушение аксонного транспорта.

Демиелинизированные аксоны особенно часто вступают в аномальные взаимодействия. Импульсы, проходящие по группам нервных волокон, индуцируют возбуждение других параллельно идущих аксонов. Это называется эфаптической передачей. Когда такие аномальные потенциалы действия генерируются в сенсорных нервных волокнах, у больного появляются аномальные ощущения, парестезии. Они могут быть мучительными, особенно когда связаны с ноцицептивными(болевыми) волокнами: возникают такие неприятные синдромы, как невралгия, каузалгия, невромные боли. Межаксонные помехи бывают следствием не только недостаточной изоляции (миелиновыми оболочками), но и повышенной возбудимости аксонов.

Тесты 1-2 уровня для самоконтроля знаний по теме: Физиологические механизмы проведения возбуждения в нервных волокнах и синапсах

1.Накопление избыточного количества ацетилхолина в нервно-мышечном синапсе приводит:

А. к усилению мышечного сокращения

В. к ослаблению мышечного сокращения

С. мышечное сокращение станет максимальным

D. мышечное сокращение не изменяется

2. При проведении возбуждения по нервному волокну величина потенциала действия:

А. увеличивается

В. уменьшается

С. увеличивается до определенного предела

D. не изменяется

3. В эксперименте на постсинаптическую мембрану нейрона подействовали веществом, которое вызвало ее гиперполяризацию. Проницаемость для каких ионов на постсинаптической мембране увеличилась в данной ситуации?

А. натрия

В. кальция

С. магния

D. калия

Е. марганца

4.Физиологические свойства нервных волокон:

А. возбудимость

В. проводимость

С.сократимость

D. автоматия

Е. пластичность

5. Специфическое свойство нервных волокон:

А. возбудимость

В. проводимость

С. сократимость

D. автоматия

Е. пластичность

6. Механизм проведения возбуждения по безмиелиновому нервному волокну:

А. непрерывный

В. сальтаторный

С. электротонический

7. Механизм проведения возбуждения по миелиновому нервному волокну :

А. непрерывный

В. сальтаторный

С. электротонический

8. Скорость проведения возбуждения в безмиелиновых нервных волокнах:

А. 30-100 м/с

В. З-18 м/с

С. 0.5 - 3 м/с

D. 10-15 м/с

9. Скорость проведения возбуждения миелинизированных нервных волокнах типа А:

А. 30-100 м/с

В. З-18 м/с

С. 0.5 - 3 м/с

D. 10-15 м/с

10. Закономерности проведения возбуждения по нервным волокнам:

А. изолированное проведение возбуждения

В. проведение при условии физиологической целостности волокна

С. двустороннее проведение возбуждения

D. «все или ничего»

Е. одностороннее проведение возбуждения

11. Функции миелиновой оболочки:

А. изоляционная

В. участие в ионном гомеостазе

С. участие в обмене медиатора

D. трофическая

12.Физиологические особенности нервных волокон:

А. высокая утомляемость

В. низкая утомляемость

С. низкая лабильность

D. высокая лабильность

Е. имеет короткий абсолютно рефрактерный период

F. имеет длительный абсолютно рефрактерный период

13. Сложный характер ПД нервного ствола обусловлен:

A. двусторонним распространением возбуждения по нервным волокнам

B. высокой лабильностью нерва

C. изолированным проведением возбуждения по нервным волокнам

D. практической неутомляемостью нерва

E. различной скоростью проведения по нервным волокнам

14. Фермент, обеспечивающий гидролиз ацетилхолина:

A. ацетилхолинэстераза:

B. холинацетилтрансфераза

C. КОМТ

D метилтрансфераза

E. МАО

15. В нервно-мышечном синапсе скелетных мышц выделяется медиатор:

A. серотонин

B. норадреналин

C. ГАМК

D. ацетилхолин

E. глицин

16. Сколько раз может сократиться мышца, если раздражать нерв нервно-мышечного препарата с частотой 247 Гц?

A. 247

B. 300

C.500

D. 150

E. не будет сокращаться

17. Какова лабильность синапса?

A. 150 имп/с

B. 300 имп/с

C. 1000 имп/с

D. 500 имп/с

E.50 имп/с

18. Особенности проведения возбуждения в синапсе:

A. одностороннее проведение возбуждения

В двусторонне проведение возбуждения

C. высокая утомляемость

D. низкая утомляемость

E. низкая скорость проведения возбуждения

F. низкая лабилбность

Ситуационные задачи для самоконтроля знаний по теме: проведение возбуждения в нервных волокнах и синапсах

1. Нервное волокно, помещенное в дистиллированную воду, не возбуждается при раздражении любой силы. Объясните причину.

2. Как и почему изменится скорость проведения нервных импульсов при повышении проницаемости мембраны нервного волокна для ионов калия?

3. Установлено, что новокаин увеличивает проницаемость мембран для ионов калия. Объясните, почему при действии на нервные волокна новокаина возбудимость в них снижается.

4. При одном из заболеваний нервной системы человека, называемом

миастенией, каждый нервный импульс, поступающий к нервно-мышечному синапсу, вызывает выделение небольшого количества ацетилхолина. Какая закономерность нервно-мышечной передачи окажется нарушенной в результате этого явления?

3. ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ

Функция двигательного аппарата является одной из важнейших в жизнедеятельности организма. Только передвигаясь, индивидуум может защищать свою жизнь, находить и поглощать пищу, производить потомство, обеспечивать свое существование. При помощи разнообразных движений человек осуществляет трудовую деятельность, общается с людьми, творит произведения искусства, занимается спортом. Трудовая деятельность создала мозг человека, выделила его из животного мира. И.М.Сеченов подчеркивал, что поперечнополосатая мышца «научила нервную систему работать импульсами».

Все двигательные акты, происходящие в организме высшего животного (за исключением движений мерцательного эпителия и амебоидного движения лейкоцитов), происходят при участии элементов мышечной ткани. С сокращением мышц связаны не только поддержание позы, локомоция, но и теплопродукция, кровоток, большинство реакций, направленных на поддержание гомеостазиса.

У позвоночных животных и человека различают поперечнополосатые (исчерченные) и гладкие (неисчерченные) мышцы. Они обладают тремя основными свойствами: 1) возбудимостью -- способностью отвечать на раздражения возникновением потенциала действия (ПД); 2) проводимостью -- способностью к проведению потенциала действия вдоль мышечного волокна; 3) сократимостью -- способностью изменять свои длину и напряжение при возбуждении. Мышечная ткань, как и все биологические ткани, обладает растяжимостью и эластичностью.

Поперечнополосатыми мышцами являются скелетные и сердечная, гладкие мышцы включены в состав стенок внутренних органов, сосудов и кожи.

3.1 Скелетные мышцы

Взаимодействие человека с внешней средой не может осуществляться без сокращений его мышц. Производимые при этом движения необходимы как для выполнения простейших манипуляций, так и для выражения самых тонких мыслей и чувств посредством речи, письма, с помощью мимики или жестов. Масса скелетных мышц намного больше, чем других органов; они составляют 40-50% массы тела. Мышцы - это “машины”, преобразующие химическую энергию непосредственно в механическую работу и в теплоту.

Поперечнополосатые мышцы (мышцы двигательного аппарата скелета, жевательные, дыхательные, глазодвигательные мышцы и т.д.) полностью лишены автоматизма, они не способны работать без управляющей импульсации из ЦНС. Эти мышцы называют произвольной мускулатурой, так как их сокращением можно управлять произвольно, по собственному желанию.

3.1.1 Структурно-функциональная характеристика

Структурной и сократительной единицей мышцы является мышечное волокно, представляющее собой сильно вытянутую многоядерную клетку. Толщина волокна -- в пределах 10--100 мкм, чаще всего около 50 мкм. Длина волокна определяется размером мышцы и может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

У человека количество мышечных волокон устанавливается через 4--5 месяцев после рождения и затем практически не меняется. При рождении ребенка их диаметр составляет примерно 1/5 толщины волокон взрослых людей. Диаметр мышечных волокон может значительно увеличиваться под воздействием тренировки (функциональная гипертрофия).

Основными структурно-функциональными элементами мышечной клетки являются:

? мембранная оболочка;

? саркоплазма с органоидами;

? миофиламенты.

Как и всякая клетка, мышечное волокно имеет мембранную оболочку -- сарколемму. Мембрана мышечного волокна образована типичной плазматической мембраной, укрепленной соединительно-тканными волокнами. Эти волокна объединяясь у концов мышечных волокон образуют сухожилия, с помощью которых мышца крепится к костям.

Рис. 10. Структура миофибрилл. Показаны диски А и I, полоски Z и Н (а). Взаимное расположение толстых (миозиновых) и тонких (актиновых) нитей в расслабленной (б) и сокращенной (в) миофибрилле.

В саркоплазме (цитоплазме) мышечного волокна находится типичный набор органоидов: многочисленные ядра, митохондрии, саркоплазматический ретикулум (см. ниже), растворимые белки (миоглобин), капельки жира, гранулы гликогена, фосфатсодержащие вещества, другие малые молекулы, ионы.

От одного конца мышечного волокна до другого тянется масса нитей -- миофибрилл, с которыми связана способность мышцы к сокращению. Их диаметр составляет 1-- 2 мкм, так что в одном мышечном волокне может насчитываться более 2000 миофибрилл. Миофибриллы группируются в пучки, по 4--20 штук в каждом. В одиночной миофибрилле насчитывается 2000--2500 протофибрилл -- толстых и тонких.

Они располагаются параллельно друг другу внутри мышечной клетки. Миофибриллы представляют собой сократимые пучки “нитей” (филаментов) диаметром около 1 мкм. Перегородки, называемые Z-пластинками, разделяют их на несколько компартментов - саркомеров ? длиной примерно по 2,5 мкм. Структура саркомеров схематически показана на рис. С помощью светового микроскопа в них можно видеть регулярно чередующиеся поперечные светлые и темные полосы. Согласно теории Хаксли и Хансон [1954], такая поперечная полосатость миофибрилл обусловлена особым взаиморасположением актиновых и миозиновых филаментов. Середину каждого саркомера занимают несколько тысяч толстых нитей миозина диаметром примерно по 10 нм. На обоих концах саркомера находятся около 2000 тонких (толщиной по 5 нм) нитей актина, прикрепленных к Z-пластинкам наподобие щетинок в щетке. Пучок лежащих в определенном порядке миозиновых нитей длиной 1,6 мкм в середине саркомера выглядит в световом микроскопе темной полосой шириной 1,6 мкм. Из-за свойства двойного лучепреломления в поляризованном свете (т. е. анизотропии) она называется А-диском. По обе стороны от А-диска находятся изотропные участки, содержащие только тонкие нити и поэтому выглядящие светлыми; эти так называемые I-диски тянутся до Z-пластинок.

Светлые I-диски делятся пополам поперечной темной Z-линией, с обеих сторон которой крепятся тонкие (актиновые) протофибриллы. Участок между двумя соседними Z-линиями называется саркомером. Он представляет собой основную повторяющуюся структуру миофибриллы. Длина саркомера обычно лежит в пределах 2--3 мкм. Эта зона перекрывания в А-диске выглядит в световом микроскопе гораздо темнее центральной Н-зоны, в которой нет актиновых нитей. На электронных микрофотографиях Н-зоны видна очень тонкая темная М-линия в середине саркомера ? сеть опорных белков, по-видимому, удерживающих толстые нити в составе единого пучка.

При длине типичного мышечного волокна человека 5 см его миофибриллы насчитывают порядка 20 000 последовательно расположенных саркомеров. Миофибриллы, точнее их саркомеры, являются сократительным аппаратом, «мотором» мышечного волокна.

Итак, в каждом саркомере имеется два набора тонких нитей, прикрепленных к Z-ли-ниям, и один комплект толстых нитей, сосредоточенных в А-диске. В покоящейся мышце концы толстых и тонких филаментов лишь незначительно перекрываются на границе между А- и I-дисками. При сокращении мышцы зона перекрытия тонких и толстых филаментов увеличивается, ширина А-дисков и Н-зон уменьшается (см. рис. 10 ).

Один грамм ткани скелетной мышцы содержит около 100 мг сократительных белков. В настоящее время в основных чертах установлена тонкая структура тонких и толстых филаментов. Толстые филаменты состоят из сократительного белка миозина, а тонкие -- из актина.

Миозиновые филаменты образуются более чем 200 молекулами миозина (молекулярная масса 42000). Каждая из них скручена попарно и имеет выступающий отросток, называемый головкой. Головки направлены под углом от центра в сторону тонких нитей (напоминают ёрш для мытья посуды). В основании головки миозина имеется фермент АТФ-аза, а на самой головке располагаются легкие цепи и молекула АТФ.

Актиновые филаменты скомпанованы из двух актиновых нитей, представляющих собой как бы бусинки глобулярных молекул актина (молекулярная масса 500000). Тонкие нити имеют активные центры, расположенные друг от друга на расстоянии 40 нм, к которым могут прикрепляться головки миозина. Кроме актина в тонких нитях имеются и другие белки ? тропомиозин, тропонины (I,T,C). Тропомиозин и тропонин образуют регуляторный белковый комплекс, который в невозбужденной мышце блокирует взаимодействие между актином и миозином. В результате невозбужденная мышца расслаблена. Блокирующая роль тропонина снимается ионами кальция (Са2+), поступающими к сократительным белкам при возбуждении.

В поперечном сечении толстые и тонкие филаменты расположены правильными шестиугольниками так, что каждая толстая нить окружена шестью тонкими, а каждая тонкая может вступать в контакт с тремя толстыми.

Система микротрубочек скелетной мышцы представляет собой сложный биокомплекс. Во многих участках поверхностная мембрана мышечной клетки образует углубления в виде Т-трубочек (диаметром 50 нм), перпендикулярных продольной оси волокна; эта система поперечных трубочек соединяется с внеклеточной средой и обычно окружает каждую миофибриллу в области I-дисков (у высших позвоночных ).

Перпендикулярно поперечным трубочкам, т.е. параллельно миофибриллам, расположена система продольных трубочек (истинный саркоплазматический ретикулум). Пузырьки на их концах (терминальные цистерны) прилегают к мембранам ситемы поперечных трубочек, образуя так называемые триады. В этих пузырьках и хранится внутриклеточный кальций. В отличие от поперечной системы продольная не сообщается с внеклеточной средой. Саркоплазматический ретикулум выполняет важную функцию в инициации сокращения мышцы, являясь депо Са2+. Мембраны саркоплазматического ретикулума содержат работающий на энергии АТФ кальциевый насос, который осуществляет активный транспорт Са2+ из миоплазмы в продольные трубочки, снижая таким образом примерно до 10-7 М миоплазматическую концентрацию этих ионов в покоящейся (расслабленной) мышце.

3.1.2 Механизм сокращения мышцы

Механизм мышечного сокращения на молекулярном уровне объясняет теория скользящих нитей, разработанная Хаксли и Хансон (1954).

При электронной микроскопии обнаружено, что на миозиновых нитях имеются выступы, получившие название поперечных мостиков. Поперечные мостики, состоящие из головки и шейки, протянувшиеся от миозиновых нитей, в спокойном состоянии не могут соединиться с актиновыми нитями из-за особого расположения тропомиозина, закрывающего активные центры актина и препятствующего их взаимодействию с поперечными мостиками миозина. Тропонин подавляет миозин-АТФазную активность, что делает невозможным расщепление АТФ, в результате мышечные волокна пребывают в расслабленном состоянии (рис.11).

Рис.11. Действие Са2+ во время активации миофибриллы.

А. Актиновая и миозиновая нити на продольном сечении волокна.

Б. Они же на поперечном сечении. Когда Са2+ связывается с тропонином, тропомиозин попадает в желобок между двумя мономерами актина, обнажая участки прикрепления поперечных мостиков (по Haxley, 1973 c изменениями Р.Шмидта и Г. Тевса, 1995).

Сокращение скелетной мышцы волокон начинается с приходом нервного импульса к сарколемме, который приводит к формированию ПД. Возникающий ПД распространяется по поверхностной мембране, а также по мембранам, выстилающим поперечные трубочки Т-системы. Проникая внутрь волокна, электрическая волна приводит к деполяризации мембран продольных трубочек и цистерн саркоплазматического ретикулума. Деполяризация мембраны цистерн открывает электровозбудимые кальциевые каналы. В связи с тем, что в саркоплазме концентрация кальция менее 10-7 М/л, а в саркоплазматическом ретикулуме ? более 10-4 М/л, начинается интенсивный выход ионов кальция в саркоплазму. Выделившийся свободный Са2+ и является инициатором мышечного сокращения.

Достаточный для начала мышечного сокращения уровень ионов кальция достигается через 12-15 мс после прихода нервного импульса. Это скрытый, латентный период мышечного сокращения. В связи с тем, что скорость распространения ПД по сарколемме выше времени, необходимого для выделения Са2+из саркоплазматического ретикулума, то все фибриллы участка мышцы, иннервируемого одним нервом, сокращаются одновременно.

Рис. 12. Взаимоотношения клеточной мембраны (1), поперечных трубочек (2), боковых цистерн (3) и продольных трубочек (4) саркоплазматического ретикулума, миозиновых и актиновых нитей (5) мышечного волокна. А--в состоянии покоя; Б--во время сокращения. Деполяризация мембраны и поперечных трубочек вызвала освобождение ионов Са2+ из боковых цистерн. Освободившиеся ионы Са2+ диффундируют по направлению к миофибриллам и частично захватываются продольными трубочками ретикулума.

Совокупность явлений, обусловливающих связь между возбуждением (потенциалом действия) и сокращением мышечных волокон, получила название «электромеханического сопряжения», или «электромеханической связи».

Механизм инициации сократительного процесса представляется в настоящее время следующим образом. В присутствии ионов Са2+, а также АТФ тропонин изменяет свою конфигурацию и отодвигает нить тропомиозина, открывая возможность соединения головки поперечного мостика миозина с актином (см. рис.11). Соединение головки фосфорилированного миозина с актином приводит к тому, что головка приобретает АТФазную активность, в ней происходит гидролиз АТФ, сопровождаемый изменением пространственной ориентации. Последнее носит форму гребкового движения, обеспечивающего втягивание тонких актиновых миофиламентов в промежутки между толстыми миозиновыми миофиламентами на один шаг (примерно 20 нм) без изменения длины миофиламентов. После этого, образующиеся Ф и АДФ, отходят, а на их место присоединяется новая молекула АТФ. Это приводит к разрыву связи миозина с активным центром актина. Затем следуют отрыв мостика и повторение всего цикла. При каждом гребковом движении головки поперечного мостика расщепляется одна молекула АТФ. Скорость расщепления АТФ является фактором, предопределяющим частоту гребковых движений и, таким образом, скорость скольжения нитей актина относительно нитей миозина. Целая мышца укорачивается в результате сокращения множества саркомеров, соединенных последовательно в миофибриллах (рис. 12).

Обнаружено, что при сокращении скелетной мышцы лягушки поперечные мостики должны совершить за 0,1 с 50 гребковых движений, чтобы обеспечить укорочение каждого саркомера волокна на 50 %.

Таким образом, при сокращении мышцы:

? актиновые и миозиновые нити практически не укорачиваются;

? взаимодействие актина с миозином приводит к взаимному вхождению нитей в промежутки между ними;

? в результате две соседние Z-мембраны приближаются друг к другу и при максимально сильном сокращении расстояние между ними может уменьшиться почти в два раза;

? так как заключенная внутри саркомера саркоплазма несжимаема, то при уменьшении длины саркомер (мышца) расширяется;

? подобные процессы одновременно протекают во всех саркомерах мышечного волокна, поэтому оба конца мышцы подтягиваются к центру.

Расслабление мышцы. Гребковые движения («шаги») поперечных мостиков будут повторяться до тех пор, пока в саркоплазме есть свободный Са2+ (в концентрации более 10-5) и АТФ. Если нет новой волны деполяризации, то кальций быстро убирается обратно в цистерны саркоплазматического ретикулума. Работа насоса активируется самим кальцием, вернее возрастанием его концентрации в саркоплазме. Работа насоса требует затраты большого количества АТФ: для удаления каждого иона кальция используется 2 молекулы АТФ. Результатом откачивания кальция из саркоплазмы является разрыв всех связей актина и миозина и расслабление мышцы.

В целом последовательность событий в цикле сокращение--расслабление мышечного волокна представляется в следующем виде:

-- поступление ПД по нервному волокну к мионевральному синапсу;

-- синаптическая активация мышечного волокна;

-- возникновение ПД, проведение его вдоль клеточной мембраны и в глубь волокна по Т-трубочкам;

-- освобождение ионов Са2+ из боковых цистерн саркоплазматического ретикулума, диффузия его к миофибриллам;

-- конформация тропонин-тропомиозинового комплекса;

-- контакт поперечных мостиков миозина с актином;

-- освобождение энергии АТФ;

-- скольжение актиновых и миозиновых нитей, выражающееся в укорочении миофибриллы;

-- активация кальциевого насоса;

-- снижение концентрации свободных ионов Са2+ в саркоплазме;

-- расслабление миофибрилл.

3.1.3 Энергетика мышцы. Тепловые явления, сопровождающие мышечное сокращение

Значение АТФ в мышечном сокращении впервые выявили В.А.Энгельгардт и М.Н.Любимова, которые в 1939 г. обнаружили, что мышечный белок миозин обладает свойствами фермента АТФазы. Эти же авторы показали, что под воздействием АТФ меняются и механические свойства миозина: увеличивается растяжимость его нитей. В последующие годы был открыт белок актин, который, как оказалось, активирует АТФазную активность миозина.

АТФаза миозина активируется актином в присутствии Мg2+. Следовательно, при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии Мg2+, АТФ расщепляется, высвобождая АДФ и фосфат, только в случае прикрепления головки миозина к активирующему белку - актину. (В отсутствие актина, образующийся АДФ не высвобождается, а блокирует на несколько секунд каталитический центр миозина и, таким образом, дальнейшее расщепление АТФ). В каждом цикле прикрепления-отделения поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, одна молекула на каждый мостик). Следовательно, чем больше мостиков находится в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ и сила, развиваемая мышцей; значит, эта скорость (интенсивность метаболизма), как правило, пропорциональна силе, развиваемой мышцей.

Скорость мышечного сокращения тем выше, чем быстрее движутся поперечные мостики, т.е. чем больше “гребков” они совершают в единицу времени. В результате быстрые мышцы потребляют в единицу времени больше и сохраняют при тоническом напряжении меньше АТФ (энергии), чем медленные. Поэтому для поддержания позы используются преимущественно медленные мышечные волокна , богатые миоглобином, а для быстрых движений - бедные им “белые” или светлые волокна.

Механизм, с помощью которого донор энергии ? молекула АТФ ? обеспечивает перемещение поперечного мостика, интенсивно изучается. По-видимому, АТФ связывается с поперечным мостиком после завершения “гребка”, давая энергию для разделения взаимодействующих сократительных белков ? актина и миозина. Почти сразу же после этого миозиновые головки отделяются от актина, а АТФ расщепляется до АДФ и фосфата. Продукты гидролиза остаются на короткое время связанными с каталитическим центром, что необходимо для нового присоединения поперечного мостика к актину и следующего генерирующего силу “гребка”, во время которого происходит высвобождение АДФ и фосфата. Затем до отделения поперечного мостика с ним должна связаться новая молекула АТФ и начинается новый цикл. Ритмичная активность поперечных мостиков т. е. циклы их прикрепления к актину и отсоединения от него, обеспечивающие мышечное сокращение, возможны только при гидролизе АТФ, а значит, при активации АТФазы. Если расщепление АТФ блокировано, мостики не могут прикрепляться к актину, сопротивление растяжению и сила мышечных волокон падают до нуля и мышца расслабляется.

При гибели организма содержание АТФ в клетках снижается; когда оно переходит критический уровень, поперечные мостики остаются устойчиво прикрепленными к актиновой нити. При этом мышца находится в состоянии трупного окоченения (rigог mortis) ? спастического сокращения мышц. Лишь после нарушения целостности лизосом и поступления в саркоплазму их ферментов, вызывающих лизис белков, окоченение постепенно проходит.

Таким образом, энергия АТФ в скелетной мышце используется для следующих процессов:

1) работы натрий-калиевого насоса, обеспечивающего поддержание постоянства градиента концентрации ионов по обе стороны мембраны;

2) образования мостиков ? процесса скольжения актиновых и миозиновых нитей, приводящих к укорочению миофибрилл (сокращения);

3) разрыва мостиков (расслабления);

4) работы кальциевого насоса, активируемого при расслаблении волокна.

Во время активации мышцы повышение внутриклеточной концентрации Са2+ ведет к сокращению и к усиленному расщеплению АТФ; при этом интенсивность метаболизма мышцы возрастает в 100-1000 раз. Согласно первому началу термодинамики (закону сохранения энергии), химическая энергия, высвобождаемая в мышце, должна быть равна сумме механической энергии (мышечной работы) и теплообразования. Даже в отсутствие физически измеримой работы (например, во время устойчивого изометрического тетануса) происходит непрерывное преобразование химической энергии в тепловую (теплота изометрического сокращения) со скоростью, пропорциональной длительности тетануса и развиваемому напряжению. Даже изометрическое сокращение сопровождается непрерывной циклической активностью поперечных миозиновых мостиков, и “внутренняя” работа, связанная с расщеплением АТФ и теплообразованием, при этом значительна. Недаром даже такая “пассивная деятельность”, как “стойка смирно”, утомительна. Когда мышца поднимает груз, совершая “внешнюю” работу, расщепляется дополнительное количество АТФ. При этом усиление интенсивности метаболизма пропорционально выполненной работе (эффект Фенна).

Коэффициент полезного действия. Гидролиз одного моля АТФ дает примерно 48 кДж энергии. Однако лишь около 40-50% ее превращается в механическую энергию работы, а остальные 50-60% рассеиваются в виде тепла при запуске (начальная теплота) и во время сокращения мышцы, температура которой при этом несколько повышается. Таким образом, к.п.д. элементарного преобразования АТФ в миофибриллах составляет примерно 40-50%. Однако в естественных условиях механический к.п.д. мышц обычно гораздо ниже - около 20-30%, так как во время сокращения и после него процессы, требующие затрат энергии, идут и вне миофибрилл. Эти процессы, например работа ионных насосов и окислительная регенерация АТФ, сопровождаются значительным теплообразованием (теплота восстановления). Чем больше совершенная работа, тем больше образуется тепла и расходуется энергоресурсов (углеводов и жиров) и кислорода. Такая закономерность, кстати, объясняет усталость, усиленное потоотделение и одышку при подъеме в гору, но не при спуске.

Энергетический метаболизм. Во время продолжительной равномерной мышечной активности происходит аэробная регенерация АТФ, главным образом за счет окислительного фосфорилирования. Необходимая для этого энергия выделяется в результате окисления углеводов или жиров. Вся система находится в состоянии динамического равновесия, при котором скорости образования и расщепления АТФ равны, так что внутриклеточные концентрации АТФ ( = 5 мМ ) и креатинфосфата ( = 30 мМ ) постоянны. При продолжительных спортивных нагрузках скорость расщепления АТФ в мышцах, от которой непосредственно зависит их мощность, часто в 100 или даже в 1000 раз больше, чем в состоянии покоя. Устойчивое состояние, а следовательно, и продолжительная нагрузка возможны, только если скорость ресинтеза АТФ в результате окислительного фосфорилирования возрастает параллельно его расходу. При этом потребление О2 мышечной тканью увеличивается в 50-100 раз по сравнению с состоянием покоя, потому что для образования 1 моля АТФ требуется примерно 1/6 моля О2. Соответственно повышается и скорость расщепления гликогена в мышце. Интенсивность ее работы может ограничиваться активностью митохондриальных ферментов, определяющей скорость окислительного расщепления глюкозы; эта активность достигает предела, на пример во время бега хорошо тренированного стайера со скоростью 6 м/с.

Предел, характерный для продолжительной работы, может быть превзойден при кратковременном усилии (например, при финальном спурте во время соревнований по бегу) за счет расщепления дополнительного количества гликогена анаэробным путем, т.е. посредством гликолиза. При этом АТФ образуется в 2-3 раза быстрее, а механическая энергия мышцы в 2-3 раза выше, чем при длительной работе, обеспечиваемой аэробными механизмами. Спринтер может бежать почти вдвое быстрее(10 м/с) стайера. Предельное время для такой повышенной нагрузки составляет примерно 30с из-за ограниченности ресурсов анаэробного метаболизма, необходимых для поддержания высокой скорости образования АТФ, а также вследствие накопления в клетке и крови молочной кислоты, образующейся при гидролизе АТФ. В конечном итоге развивается метаболический ацидоз, ограничивающий работоспособность и вызывающий утомление. Применение метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопии) теперь позволяет проследить in situ за вязанными с утомлением изменениями внутриклеточного рН и накоплением таких метаболитов, как фосфат и АДФ в сердечной и скелетной мускулатуре. Анаэробные процессы необходимы для обеспечения энергией не только кратковременного экстремального усилия, но и в начале продолжительной мышечной работы, потому что адаптация скорости окисления (и гликолиза) к возросшей нагрузке требует некоторого времени. Равновесное состояние, когда путем окислительного фосфорилирования в единицу времени образуется столько же АТФ, сколько расщепляется АТФазой, наступает только через 0,5-2 мин (“второе дыхание”).

До достижения этого динамического равновесия АТФ ресинтезируется по реакции Ломана из АДФ и креатинфосфата со скоростью, позволяющей поддерживать внутриклеточный уровень АТФ практически постоянным:

АДФ + креатинфосфат = АТФ + креатин

В результате внутриклеточный уровень креатинфосфата падает до тех пор, пока скорость аэробного образования АТФ не вырастет настолько, что будет удовлетворять текущие потребности мышцы. Запас креатинфосфата обычно не пополняется до тех пор, пока не закончится сокращение и реакция Ломана не пойдет в обратном направлении; в первые минуты покоя, требуемый для этого АТФ, обеспечивается окислительным фосфорилированием, т. е. реакциями с потреблением О2. В результате покрывается кислородная задолженность (кислородный долг), которая приблизительно соответствует количеству энергии, полученному анаэробным путем в начале или во время работы мышцы и еще не компенсированному за счет аэробного синтеза АТФ. Кислородная задолженность, целиком обусловленная (анаэробным) гидролизом креатинфосфата, может достигать 4 л; образование энергии путем гликолиза во время предельного физического усилия способно увеличить ее до 20 л, поскольку для удаления образовавшейся и поступившей в кровь (до 1,5 г/л) молочной кислоты необходим О2. Часть лактата окисляется в миокарде, а некоторое его количество (преимущественно в печени) используется для синтеза гликогена.

Таким образом, для активной деятельности мышцы необходим постоянный ресинтез АТФ. Запас АТФ в скелетных мышцах невелик -- всего примерно на 10 одиночных сокращений. Необходимый постоянный ресинтез АТФ осуществляется тремя путями.

1. Ресинтез АТФ за счет ферментативного переноса фосфатной группы от богатого энергией креатинфосфата на аденозиндифосфорную кислоту. Этот эффективный путь позволяет за несколько секунд совершить большую работу, которая выполняется, например, спринтером или штангистом. В случае интенсивной мышечной работы запасы креатинфосфата быстро истощаются и реализуются другие, более медленные способы пополнения АТФ.

2. Гликолитический путь, связанный с анаэробным расщеплением глюкозы до молочной кислоты. В результате образуются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. Этот способ ресинтеза АТФ идет быстро, но накапливающаяся молочная кислота тормозит активность гликолитических ферментов. Этот вид энергопродукции используется при больших, но непродолжительных нагрузках, например при беге на средние дистанции, и способствует сдвигам кровообращения в работающей мышце для обеспечения адекватного хода третьего типа ресинтеза АТФ.

3. Аэробное окисление глюкозы и жирных кислот в цикле Кребса, совершаемое в мито-хондриях. При этом экономичном процессе из 1 молекулы глюкозы образуется около 38 молекул АТФ, а при окислении 1 молекулы жирной кислоты -- около 128 молекул АТФ. Для получения энергии таким способом требуется больше времени, чем при первых двух способах, поэтому 3-й путь ресинтеза АТФ используется во всех случаях, когда мощность сократительной активности мышцы невысокая. Отметим, что аэробное окисление глюкозы и жирных кислот (запасы свободной глюкозы, гликогена и жиров в мышцах достаточно велики) -- наиболее типичный способ энергообеспечения скелетных мышц. Однако при длительной работе в организме накапливаются недоокисленные продукты (молочная кислота и др.). Создается кислородная задолженность. Такой долг погашается после работы за счет компенсатор-ной мобилизации кровообращения и дыхания (тахикардия, повышение кровяного давления, одышка). Если же работа, несмотря на наличие кислородного долга, продолжается, наступает выраженное состояние утомления, которое иногда прекращается за счет мобилизации дополнительных резервов кровообращения и дыхания («второе дыхание» спортсменов).

Максимальная мощность путей ресинтеза АТФ:

? фосфагенный (с помощью креатинфосфата) ? 3,6 моль АТФ/мин;

? гликолитический ? 1,2 моль АТФ/мин;

? окислительный ? при окислении глюкозы ? 0,8, жиров ? 0,4 моль АТФ/мин.

3.1.4 Биомеханика мышц

3.1.4.1 Типы и режимы мышечных сокращений

? В зависимости от условий, в которых происходит мышечное сокращение, различают два его основных типа -- изотоническое и изометрическое. Сокращение мышцы, при котором ее волокна укорачиваются, но напряжение остается постоянным, называется изотоническим. Изометрическим является такое сокращение, при котором мышца укоротиться не может, если оба ее конца закреплены неподвижно. В этом случае по мере развития сократительного процесса напряжение возрастает, а длина мышечных волокон остается неизменной.

В натуральных двигательных актах сокращения мышц смешанные: даже поднимая постоянный груз, мышца не только укорачивается, но и изменяет свое напряжение вследствие реальной нагрузки. Такое сокращение называется ауксотоническим.

? В зависимости от частоты стимуляции выделяют одиночные и тетанические сокращения.

Одиночное сокращение (напряжение) возникает при действии на мышцу одиночного электрического или нервного импульса. Волна возбуждения возникает в месте приложения электродов для прямого раздражения мышцы или в области нервно-мышечного соединения и отсюда распространяется вдоль всего мышечного волокна. В изотоническом режиме одиночное сокращение икроножной мышцы лягушки начинается через короткий скрытый (латентный) период -- до 0,01 с, далее следуют фаза подъема (фаза укорочения) -- 0,05 с и фаза спада (фаза расслабления) -- 0,05--0,06 с. Обычно мышца укорачивается на 5--10 % от исходной длины. Как известно, продолжительность волны возбуждения (ПД) мышечных волокон варьирует, составляя величину порядка 1--10 мс (с учетом замедления фазы реполяризации в ее конце). Таким образом, длительность одиночного сокращения мышечного волокна, наступающего вслед за его возбуждением, во много раз превышает продолжительность ПД.

Мышечное волокно реагирует на раздражение по правилу «все или ничего», т.е. отвечает на все надпороговые раздражения стандартным ПД и стандартным одиночным сокращением. Однако сокращение целой мышцы при ее прямом раздражении находится в большой зависимости от силы стимуляции. Это связано с различной возбудимостью мышечных волокон и разным расстоянием их от раздражающих электродов, что ведет к неодинаковому количеству активированных мышечных волокон. При пороговой силе стимула сокращение мышцы едва заметно, потому что в реакцию вовлекается лишь небольшое количество волокон. При увеличении силы раздражения число возбужденных волокон растет, пока все волокна не окажутся сокращенными, и тогда достигается максимальное сокращение мышцы. Дальнейшее усиление стимулов прироста амплитуды сокращения не вызывает.

В естественных условиях мышечные волокна работают в режиме одиночных сокращений только при относительно низкой частоте импульсации мотонейронов, когда интервалы между последовательными ПД мотонейронов превышают длительность одиночного сокращения иннервируемых ими мышечных волокон. Еще до прихода следующего импульса от мотонейронов мышечные волокна успевают полностью расслабиться. Новое сокращение возникает после полного расслабления мышечных волокон. Такой режим работы обусловливает незначительную утомляемость мышечных волокон. При этом ими развивается относительно небольшое напряжение.

Рис. 13. Сокращения икроножной мышцы лягушки при увеличении частоты раздражения седалищного нерва. Суперпозиция волн сокращения и образование разных видов тетануса.

а -- одиночное сокращение (Г = 1 Гц); б, в -- зубчатый тетанус (Г= 15--20 Гц); г, д -- гладкий тетанус и оптимум (Г = 25--60 Гц); е -- пессимум -- расслабление мышцы во время раздражения (Г= 120 Гц).

Тетаническое сокращение -- это длительное слитное сокращение скелетных мышц. В его основе лежит явление суммации одиночных мышечных сокращений. При нанесении на мышечное волокно или целую мышцу двух быстро следующих друг за другом раздражении возникающее сокращение будет иметь большую амплитуду. Сократительные эффекты, вызванные первым и вторым раздражениями, как бы складываются, происходит суммация, или суперпозиция, сокращений, поскольку нити актина и миозина дополнительно скользят друг относительно друга. При этом в сокращение могут вовлекаться ранее не сокращавшиеся мышечные волокна, если первый стимул вызвал у них подпороговую деполяризацию, а второй увеличивает ее до критической величины. При получении суммации в одиночном волокне важно, чтобы второе раздражение наносилось после исчезновения ПД, т.е. после рефрактерного периода. Естественно, что суперпозиция сокращений наблюдается и при стимуляции моторного нерва, когда интервал между раздражениями короче всей длительности сократительного ответа, в результате чего и происходит слияние сокращений.

При сравнительно низких частотах наступает зубчатый тетанус, при большой частоте -- гладкий тетанус (рис. 13).