Механизмы сокращения скелетных мышц

Сравнение динамики сокращения разных типов мышечной ткани
Типы мышечной ткани
Гладкая
Сердечная
Скелетная

Уровни организации
скелетной мышцы
Н.Б.Гусев Соросовский образовательный
журнал 2000, том 6, №8, с.24-32
Миофибрилла
Волокна (клетки) скелетных мышц очень крупные:
диаметр - до 100 мкм,
длина - до 10 см и более
многоядерные
В процессе развития сливаются несколько миобластов и их ядра сохраняются
МЫШЕЧНОЕ ВОЛОКНО

Саркомер – единица строения и работы миофибриллы
Z-линии разных миофибрилл расположены на одном уровне

Белки саркомера
α-актинин
Миозин
Титин (тайтин)
Актин
Титин - гигантский белок (3-3,7 МДа), крупнейший из белков организма позвоночных. Содержание титина достигает 10% общего мышечного белка.
Титин образует филаменты длиной до 1 мкм, которые занимают половину саркомера: каждый титиновый филамент одним концом крепится к Z-линии, а другим – к М-линии.
Небулин («линейка» для актинового филамента)
Тропомодулин (кепирует конец актинового филамента)
Миофибриллы «сшиваются» промежуточными филаментами (состоят из десмина и др. белков)
С-белок – регулирует прочность связывания головок миозина с актином

1939 г.:
В.А. Энгельгардт и М.Н.Любимова установили, что миозин обладает АТФ-азной активностью
(работа «Ферментативные свойства миозина и механохимия мышц»).
Миозин и актин - основные участники мышечного сокращения
Середина 19 века: немецкий ученый Кюне выделил «сократительную субстанцию» мышц и назвал ее миозином.
1942 г.: венгерский биохимик Штрауб показал, что «миозин» на самом деле является смесью двух белков. Второй белок был назван актином из-за его способности активировать гидролиз АТФ миозином.

Толстые филаменты состоят из миозина II типа
Молекула миозина
Хвост
Легкие цепи:
пара щелочных (17 кДа) –
влияют на подвижность головки
пара регуляторных (20 кДа) –
регулируют АТФ-азную активность миозина
Головки
МИОЗИНОВЫЙ ФИЛАМЕНТ
(биполярное строение)
Шейка
Актин-связывающий центр
Строение головки миозина
Н.Б.Гусев Соросовский образовательный
журнал 2000, том 6, №8, с.24-32
АТФ-связывающий центр
Щель (“пасть”),
разделяющая две “челюсти”
актин-связывающего центра

Gordon et al. News Physiol Sci 2001, vol. 6, p. 49-55
Связывание Са2+ с тропонином С
ослабляет взаимодействие
тропонинового комплекса с актином
Толщина линий отражает «силу взаимодействия»
Тропонин T (TnT) – крепится к тропомиозину
Тропонин I (TnI) – ингибирует взаимодействие актина и миозина
Тропонин С (TnC) – связывает Са2+
Строение тонкого филамента
Фибриллярный актин
Миозиновый филамент

Gordon et al. News Physiol Sci 2001, vol. 6, p. 49-55
Связывание Са2+ с тропонином С
ослабляет взаимодействие
тропонинового комплекса с актином
Толщина линий отражает «силу взаимодействия»
Тропонин T (TnT) – крепится к тропомиозину
Тропонин I (TnI) – ингибирует взаимодействие актина и миозина
Тропонин С (TnC) – связывает Са2+
Строение тонкого филамента
Фибриллярный актин
Миозиновый филамент
Головки миозина образуют поперечные мостики между толстыми и тонкими филаментами

Теория скольжения нитей:
во время сокращения мышцы длина толстых и тонких филаментов не изменяется, происходит их перемещение (скольжение)
друг относительно друга
Теория скольжения нитей была выдвинута
на основании двух независимых наблюдений
Andrew Huxley and Rolf Niedergerke
(Nature 173, 971-973 (22 May 1954)),
световая микроскопия: во время сокращения происходит сужение I-дисков, тогда как ширина А-дисков не изменяется
Hugh E. Huxley and Jean Hanson
(Nature 173, 973-976 (22 May 1954)),
электронная микроскопия: во время сокращения длина толстых и тонких филаментов не изменяется

Цикл работы головки миозина
В отсуттствие АТФ развивается ригор («трупное окоченение»)

Сила сокращения скелетной мышцы зависит от длины саркомеров
(степени перекрывания актиновых и миозиновых филаментов)

Сила сокращения скелетной мышцы зависит от длины саркомеров
(степени перекрывания актиновых и миозиновых филаментов)

Основные пути Са2+-зависимой активации актомиозинового взаимодействия
Актин = «рельсы»
Миозиновый мотор
КПД 50-80%
(у двигателей внутреннего сгорания – всего 20-30%)
«Актиновый путь»:
для взаимодействия надо освободить актиновые рельсы, по которым едет паровоз
«Миозиновый путь»:
для взаимодействия надо запустить миозиновый мотор
Са2+: взаимодействие с тропонин-тропомиозиновым комплексом
(скелетная и сердечная мышца)
Са2+: активация киназы легких цепей миозина - фосфорилирование регуляторных легких цепей
(гладкая мышца)

Взаимодействие головок миозина с актином
возможно лишь при повышении концентрации Са2+ в цитоплазме
Зависимость между концентрацией кальция в цитоплазме и силой, развиваемой мышечным волокном

1. Потенциал действия
3. Связывание Са2+
c тропонином
4. Сокращение
2. Повышение внутриклеточной концентрации Ca2+
Электромеханическое сопряжение в скелетной мышце
Сопряжение возбуждения наружной мембраны мышечной клетки
(электрического процесса) и сокращения мышцы (механического ответа)

Потенциал действия распространяется вглубь мышечного волокна
по поперечным трубочкам (Т-трубочки) и запускает высвобождение Са2+
из саркоплазматического ретикулума (СПР)

Поперечные трубочки (Т-трубочки) и саркоплазматический ретикулум (СПР)

Поперечные трубочки (Т-трубочки) и саркоплазматический ретикулум (СПР)
Три гипотезы о механизме передачи сигнала от Т-трубочек к СПР:
электрическая (ПД «перепрыгивает» с Т-трубочки на цистерну СПР) ;
химическая (сигнал передается с помощью химического посредника);
механическая (сигнал передается путем механического взаимодействия белковых молекул, расположенных в мембране Т-трубочки и в мембране СПР)

Гипотеза о механическом способе передачи сигнала от наружной мембраны к СПР: Chandler, Rakowski and Schneider (1976)

Соединительные ножки между мембранами Т-трубочки и СПР

«Наружная» часть ножки – ДИГИДРОПИРИДИНОВЫЙ РЕЦЕПТОР (потенциал-управляемый кальциевый канал L-типа)
А.М.Рубцов Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, №9, с.17-24
Цитоплазматическая петля, формирующая ножку («foot»), которая и является сенсором напряжения, взаимодействующим с белком в мембране СПР (рианодиновым рецептором)

Классификация потенциал-зависимых Са2+-каналов

Ryania speciosa
Трехмерная модель РиР,
построенная по данным электронной микроскопии
Вид сбоку
Вид со стороны цитоплазмы
Цитоплазматический домен
Гидрофобная часть, погруженная в мембрану СПР
Центральный ионопроводящий канал
Радиальный
ионопроводящий канал
(в молекуле РиР
четыре
таких канала)
РиР активируется:
Са2+ (в низких – микромолярных - концентрациях), АТФ, кофеином, жирными кислотами,
рианодином (в низкой концентрации).
РиР инактивируется:
Са2+ (в высоких – миллимолярных - концентрациях), рианодином (в высокой концентрации).
«Внутренняя» часть ножки – РИАНОДИНОВЫЙ РЕЦЕПТОР (РиР) (кальциевый канал саркоплазматического ретикулума)

Основные этапы электромеханического сопряжения в скелетной мышце

А.М.Рубцов Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, №9, с.17-24
Активация рианодиновых рецепторов
Типы рианодиновых рецепторов:
cкелетная мышца – RyR1,
сердечная мышца – RyR2
Часть рианодиновых рецепторов (RyR) механически связана с тетрадой ДГП-рецепторов
«Свободные» RyR активируются ионами Са2+
в скелетной мышце
в сердечной мышце
Нет механической связи между RyR и ДГП-рецепторами.
Все RyR активируются Са2+, которые входят с клетку
через ДГП-рецепторы
(«триггерный» Са2+)
Быстрая передача команды к сокращению
Медленная передача команды к сокращению

Разные мышцы человека существенно различаются
по динамике одиночного сокращения

Типы мышечных волокон у позвоночных
Не генерируют ПД
Имеют полисинаптическую иннервацию
Отвечают на нервное воздействие градуальным сокращением
У человека миозин IIB типа не экспрессируется
(самые быстрые волокна принадлежат к IIX типу)

Поперечные серийные срезы четырехглавой мышцы бедра человека, окрашенные антителами против медленных (слева) и быстрых (справа) изоформ тяжелых цепей миозина
Изоформы тяжелых цепей различаются по АТФ-азной активности (количеству молекул АТФ, расщепляемых в единицу времени), т.е. по «длительности цикла срабатывания головки миозина»
Чем выше АТФ-азная активность миозина,
тем быстрее сокращается мышечное волокно
«м» - медленное, «б» – быстрое, «г» – гибридное

Toniolo et al. Am J Physiol. 2007 292(5):C1915-26.
In vitro motility system

Prochniewicza et al. Exp.Gerontol 2007. V.42, p.931–938
Toniolo et al. Am J Physiol. 2007 292(5):C1915-26.
In vitro motility system
Максимальная скорость укорочения
Скорость движения актиновых нитей
I
IIa
IIx

Источники АТФ в скелетной мышце

Типы мышечных волокон у позвоночных
Не генерируют ПД
Имеют полисинаптическую иннервацию
Отвечают на нервное воздействие градуальным сокращением
У человека миозин IIB типа не экспрессируется
(самые быстрые волокна принадлежат к IIX типу)

Гликолитические и оксидативные мышечные волокна различаются
по размерам и активности митохондриальных ферментов
Гистохимическое окрашивание капилляров
Гистохимическое окрашивание на активность сукцинат-дегидрогеназы (фермент дыхательной цепи митохондрий)

Гликолитические и оксидативные волокна различаются
по устойчивости
к утомлению

Свойства различных типов фазических мышечных волокон

ПД, приходящие по аксону мотонейрона вызывают только сокращение мышцы
(а не торможение сокращения)
Нервно-мышечный синапс обладает высокой надежностью, поскольку амплитуда постсинаптического потенциала выше порога возбуждения мышечного волокна
Одиночный ПД в мотонейроне вызывает возбуждение и сокращение мышечного волокна
(т.е. происходит передача возбуждения 1:1)
Мышечные волокна млекопитающих имеют моносинаптическую иннервацию: нервно-мышечный синапс только один, он располагается ближе к центру волокна
Во всех синапсах, образуемых мотонейронами на мышечных волокнах, медиатором является ацетилхолин.
Иннервация скелетных мышц

Двигательные (моторные) единицы
Двигательная единица = мотонейрон + группа иннервируемых им
мышечных волокон
Все мышечные волокна ДЕ принадлежат к одному типу (быстрому или медленному)
Мотонейронный пул мышцы: группа мотонейронов, иннервирующих данную мышцу
Каждая ДЕ занимает обширную территорию в толще мышцы, поскольку ее волокна расположены «вперемешку» с волокнами других ДЕ
Распределение волокон одной ДЕ в мышце голени крысы (в результате стимуляции мотонейрона в волокнах этой ДЕ нет гликогена, поэтому они не окрашены)

Размер и количество ДЕ в мышцах человека сильно различаются
(в зависимости от функций этих мышц и потребностей в точной регуляции их сокращения)
Наружная прямая мышца глаза
Икроножная
Мышцы
Количество ДЕ в мышце
Количество мышечных волокон в ДЕ

Два способа увеличения
силы сокращения мышцы:
Активация большего числа мотонейронов (рекрутирование ДЕ)
Увеличение частоты разрядов мотонейронов: суммация одиночных сокращений (тетанус)
Регуляция силы мышечного сокращения
Длительность сокращения намного больше длительности ПД
В отличие от ПД сократительные ответы могут суммироваться
Амплитуда суммарного сокращения больше, чем одиночного (поскольку выше концентрация Са2+ в цитоплазме мышечного волокна)
Чем дольше одиночное сокращение, тем при более низкой частоте разрядов мотонейрона образуется тетанус (т.е. в медленных волокнах частота образования тетануса ниже, чем в быстрых)
При утомлении мышцы длительность ее сокращения увеличивается – тетанус образуется при более низкой частоте возбуждения

Метаболический тип мышечного волокна определяется его иннервацией
(характером разрядной активности мотонейрона)
Изменение свойств мышц
при перекрестной реиннервации
Низкочастотная электростимуляция двигательных волокон быстрой мышцы превращает ее в медленную
Частота разрядов мотонейронов медленных ДЕ ниже, чем быстрых
Все волокна ДЕ принадлежат к одному метаболическому типу

Изменения мышц при естественной активности мотонейронов
Тренировка силы
(тяжелая атлетика)
Тренировка выносливости
(марафон)
Как выглядят тела спортсменов: http://bigpicture.ru/?p=461972

В здоровом теле – здоровый дух!

Спасибо за внимание!

Строение тонкого филамента

Разные типы мышечных волокон
в икроножной мышце крысы
А и В – окрашивание антителами к разным изоформам миозина

Быстрые и медленные мышечные волокна различаются по активности ферментов окислительного фосфорилирования и гликолиза
А и В – окрашивание антителами к разным изоформам миозина
С: окрашивание на активность сукцинатдегидрогеназы
D: окрашивание на активность глицерофосфатдегидрогеназы

Строение толстого филамента (состоит из миозина II типа)