ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЗБУДИМЫХ СТРУКТУР. ФИЗИОЛОГИЯ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ

Содержание

Слайд 2

ПЛАН: Физиологическое значение мышц. Физиологические свойства мышц. Понятие о моторной единице.

ПЛАН: Физиологическое значение мышц. Физиологические свойства мышц. Понятие о моторной единице. Виды

и режимы сокращения скелетных мышц. Соотношение цикла возбуждения и мышечного сокращения. Суммация одиночных мышечных сокращений. Зависимость амплитуды сокращения от частоты раздражения. Тетанус и его виды. Оптимум и пессимум. Сила и работа мышц. Закон средних нагрузок. Механизм сопряжения возбуждения и сокращения. Современные теории мышечного сокращения и расслабления. Биоэнергетика мышечного сокращения.

139

Слайд 3

В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА ИМЕЮТСЯ 3 ТИПА МЫШЦ: Скелетные – обеспечивают перемещение

В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА ИМЕЮТСЯ 3 ТИПА МЫШЦ:

Скелетные – обеспечивают перемещение тела

в пространстве, поддержание позы за счет тонуса мышц.

Гладкие – обеспечивают перистальтику органов желудочно-кишечного тракта, мочевыводящей системы, входят в состав стенки сосудов, бронхов и т.д.

Сердечная мышца – обеспечивает сокращение сердца и перекачивание крови.

140

Слайд 4

Физиологическое значение мышц – обеспечивают перемещение тела в пространстве, взаимодействие организма

Физиологическое значение мышц – обеспечивают перемещение тела в пространстве, взаимодействие организма

с окружающей средой, работу внутренних органов.

141

Слайд 5

В зависимости от задействованной в сокращении мышечной массы выделяют: 1) локальные

В зависимости от задействованной в сокращении мышечной массы выделяют: 1) локальные нагрузки

– 1/3 массы; 2) региональные – от 1/3 до 2/3 массы; 3) глобальные – свыше 2/3 массы.

Мышцы относятся к возбудимым тканям, обладают возбудимостью, проводимостью, сократимостью, а сердечная и многие гладкие мышцы – автоматией (способностью к самопроизвольным сокращениям).

142

Слайд 6

НЕЙРОМОТОРНАЯ ЕДИНИЦА – совокупность мышечных волокон, иннервируемых одним и тем же

НЕЙРОМОТОРНАЯ ЕДИНИЦА – совокупность мышечных волокон, иннервируемых одним и тем же

мотонейроном. По характеру возбуждения, возникающего в мышечных волокнах, их делят на:

Фазные – образуются альфа-мотонейронами передних рогов спинного мозга (крупные, d 10 - 20 мкм). Скорость проведения возбуждения по их аксонам 120 м/с. На каждом волокне аксон образует 1 - 2 синапса, в каждом из которых при возбуждении возникает потенциал концевой пластинки, обеспечивающий возникновение потенциала действия в мышце. Возбуждаются под действием одиночного импульса, при котором возникает распространяющееся возбуждение.

Тонические – образуются гамма-мотонейронами передних рогов спинного мозга (мелкие, d 4 - 6 мкм). Скорость проведения импульса по их аксонам 30 м/с. Аксон образует на каждом мышечном волокне несколько десятков синапсов, в которых возникает местное возбуждение и за счет суммации местных потенциалов развивается потенциал действия. Возбуждение тонической нейромоторной единицы происходит под влиянием серии импульсов (частота около 10 Гц). Обеспечивают медленное сокращение мышц, участвуют в возникновении тонуса.

143

Слайд 7

ФАЗНЫЕ НЕЙРОМОТОРНЫЕ ЕДИНИЦЫ ДЕЛЯТ НА: Быстрые – продолжительность потенциала действия в

ФАЗНЫЕ НЕЙРОМОТОРНЫЕ ЕДИНИЦЫ ДЕЛЯТ НА:

Быстрые – продолжительность потенциала действия в 2

раза меньше, волна сокращения в 5 раз меньше, скорость распространения возбуждения в 2 раза больше, чем в медленных. Обеспечивают динамическую работу. Анаэробный тип образования энергии. Практически не содержат миоглобина - светлые, белые мышцы.

Медленные – обеспечивают статическую работу, длительное сокращение мышц. Энергия образуется за счет окислительно-восстановительных процессов. Содержат миоглобин. По цвету темные, красные мышцы.

144

Слайд 8

В состав скелетных мышц входят мышечные волокна, относящиеся к фазным и

В состав скелетных мышц входят мышечные волокна, относящиеся к фазным и

тоническим нейромоторным единицам. Попеременное их «включение» обеспечивает изменение функционального состояния мышцы.

Кроме двигательной иннервации присутствует вегетативная – скелетные мышцы получают импульсы из симпатической нервной системы, которая регулирует процессы обмена веществ.

В покое работают тонические нейромоторные единицы.

В условиях активности работают фазные нейромоторные единицы.

145

Слайд 9

В разных мышцах соотношение типов нейромоторных единиц неодинаково. Итеративность – мышечные

В разных мышцах соотношение типов нейромоторных единиц неодинаково. Итеративность – мышечные волокна

тонических нейромоторных единиц (НМЕ) не способны отвечать на одиночные импульсы, а отвечают только на ритмические (с частотой не меньше 10 в секунду).

Трехглавая мышца плеча

Наружная широкая мышца бедра

Камбаловидная мышца

33%

67%

51%

49%

16%

84%

146

Слайд 10

ВИДЫ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Статическая Динамическая (F мышцы = F сопротивления) (F

ВИДЫ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Статическая Динамическая (F мышцы = F сопротивления) (F мышцы =

F сопротивления) Преодолевающая Уступающая (F мышцы>F сопр.)(F мышцы

медленные и тоническиеНМЕ

147

Слайд 11

ВИДЫ СОКРАЩЕНИЯ Одиночное Тетаническое (суммационное) латентный период – время от начала

ВИДЫ СОКРАЩЕНИЯ Одиночное Тетаническое (суммационное)

латентный период – время
от начала раздражения
до начала укорочения

фаза укорочения

фаза

расслабления

1 фаза

2 фаза

3фаза

стимул

Одиночное сокращение наблюдается в ответ на одиночный раздражитель или на тетанус раздражения (определенную частоту), при котором интервалы (t) между импульсами будут превышать продолжительность всего цикла одиночного мышечного сокращения. Состоит из 3 фаз.

148

Слайд 12

ФАЗЫ ОДИНОЧНОГО МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ Первая – латентный период. Время от начала

ФАЗЫ ОДИНОЧНОГО МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

Первая – латентный период. Время от начала раздражения

до начала укорочения мышцы. Временная задержка связана с необходимостью реализации внутриклеточных процессов, подготавливающих мышцу к сокращению – развивается потенциал действия и протекают процессы электромеханического сопряжения.

Вторая – период укорочения, или развития напряжения.

Третья – период расслабления. Уменьшается концентрация ионов Са2+ и отсоединяются головки миозина от актиновых филаментов.

149

Слайд 13

При частоте раздражения до 10 Гц – одиночные сокращения. 10 -

При частоте раздражения до 10 Гц – одиночные сокращения. 10 - 20

Гц – зубчатый тетанус. Свыше 20 Гц – гладкий тетанус. АМПЛИТУДА ТЕТАНИЧЕСКОГО СОКРАЩЕНИЯ ВСЕГДА БОЛЬШЕ, ЧЕМ ОДИНОЧНОГО.

γ, Гц

3

7

10

15

20

30

150

Слайд 14

Ответ: время между импульсами (t) должно быть > 0,1 сек, значит,

Ответ: время между импульсами (t) должно быть > 0,1 сек, значит,

частота должна быть < 10 Гц (имп/сек).

Задача: продолжительность одиночного сокращения икроножной мышцы лягушки 0,1 сек. С какой частотой нужно ее раздражать,
чтобы получить одиночные сокращения?

151

Слайд 15

γ, Гц 3 При увеличении частоты раздражения до 10 Гц сокращения

γ, Гц

3

При увеличении частоты раздражения до 10 Гц сокращения мышцы становятся

более частыми.

152

7

1

Слайд 16

Тетаническое сокращение развивается в ответ на тетанус (определенную частоту) раздражения (интервал

Тетаническое сокращение развивается в ответ на тетанус (определенную частоту) раздражения (интервал

между импульсами должен быть меньше, чем длительность одиночного сокращения). Если последующие импульсы поступают в фазу укорочения – наблюдается гладкий тетанус, если в фазу расслабления – зубчатый (зубчик – попытка к расслаблению).

0,01 сек

0,04 сек

0,05 сек

153

Слайд 17

Ответ: для получения зубчатого тетануса t между импульсами должно быть >

Ответ: для получения зубчатого тетануса t между импульсами должно быть >

0,05 (0,01+0,04) сек, но < 0,1 сек. Значит, частота должна быть > 10 Гц, но < 20 Гц. Для получения гладкого тетануса t между импульсами должно быть < 0,05 (0,01+0,04) сек. Значит, частота должна быть > 20 Гц.

Задача: продолжительность одиночного сокращения икроножной мышцы лягушки 0,1 сек, из них 0,01 сек – латентный период, 0,04 сек – фаза укорочения, 0,05 сек – фаза расслабления. С какой частотой нужно раздражать мышцу, чтобы получить гладкий и зубчатый тетанус?

154

Слайд 18

РЕЖИМЫ СОКРАЩЕНИЯ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ 1. Изометрический (эксцентрический) – наблюдается при закреплении

РЕЖИМЫ СОКРАЩЕНИЯ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ 1. Изометрический (эксцентрический) – наблюдается при закреплении мышцы

с двух сторон. Размеры саркомеров меняются за счет скольжения нитей актина и миозина относительно друг друга. Но длина волокна в целом не изменяется за счет растяжения соединительнотканных элементов мышцы и сухожилий, которым передается напряжение, развиваемое актомиозиновыми мостиками. 2. Изотонический (концентрический) – при свободном укорочении мышечного волокна. Напряжение практически не изменяется, а меняется только длина мышечного волокна. 3. Ауксотонический (смешанный) – развитие напряжения сопровождается укорочением длины мышцы.

155

Слайд 19

В организме человека в изолированном виде изотонического или изометрического сокращения не происходит. 156

В организме человека в изолированном виде изотонического или изометрического сокращения не

происходит.

156

Слайд 20

СХЕМА СООТНОШЕНИЯ ВИДОВ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И РЕЖИМОВ СОКРАЩЕНИЯ СОКРАЩЕНИЕ МЫШЦЫ СТАТИЧЕСКОЕ

СХЕМА СООТНОШЕНИЯ ВИДОВ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И РЕЖИМОВ СОКРАЩЕНИЯ

СОКРАЩЕНИЕ МЫШЦЫ

СТАТИЧЕСКОЕ

ДИНАМИЧЕСКОЕ

КОНЦЕНТРИЧЕСКОЕ

ЭКСЦЕНТРИЧЕСКОЕ

(УКОРОЧЕНИЕ)

(БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ)

ИЗОМЕТРИЧЕСКОЕ

ИЗОТОНИЧЕСКОЕ

ИЗОКИНЕТИЧЕСКОЕ

(ПОСТОЯННАЯ

ДЛИНА)

(ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ)

(ПОСТОЯННАЯ УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ)

157

Слайд 21

СООТНОШЕНИЕ ЦИКЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ И МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ ФАЗА УКОРОЧЕНИЯ ФАЗА РАССЛАБЛЕНИЯ ЛАТЕНТНЫЙ ПЕРИОД Потенциал действия 158

СООТНОШЕНИЕ ЦИКЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ И МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

ФАЗА УКОРОЧЕНИЯ

ФАЗА РАССЛАБЛЕНИЯ

ЛАТЕНТНЫЙ ПЕРИОД

Потенциал действия

158

Слайд 22

ТЕОРИИ ТЕТАНУСА: 1. Гельмгольца – суперпозиций: объясняет тетанус простым наложением одиночных

ТЕОРИИ ТЕТАНУСА: 1. Гельмгольца – суперпозиций: объясняет тетанус простым наложением одиночных сокращений

одинаковой амплитуды друг на друга. Не может объяснить пессимум. Оптимум – частота и сила раздражения, вызывающие тетанус максимальной амплитуды. Пессимум – частота и сила раздражения, вызывающие тетанус минимальной амплитуды или не вызывающие тетанического сокращения.

159

Слайд 23

2. Введенского – посттетанической потенциации мышцы: суммируются сокращения изменяющейся амплитуды, что

2. Введенского – посттетанической потенциации мышцы: суммируются сокращения изменяющейся амплитуды, что

связано с изменением возбудимости при возбуждении.

мВ

абсолютная рефрактерность (невозбудимость) –
ткань не отвечает ни на какие раздражители

-70

-50

+50

отрицательный следовой потенциал

положительный следовой потенциал

локальный
ответ

деполяризация

реполяризация

относительная рефрактерность – ткань может ответить
на надпороговые раздражители

повышение
возбудимости

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

ВОЗБУДИМОСТЬ

повышение
возбудимости

160

Слайд 24

Сила мышцы (F=m·a) – измеряется или массой максимального груза, который может

Сила мышцы (F=m·a) – измеряется или массой максимального груза, который может

поднять мышца (при изотоническом режиме) или максимальным напряжением (при изометрическом). Не зависит от длины мышцы! Зависит от: 1) площади физиологического поперечного сечения (сумма поперечных сечений всех мышечных волокон);

физиологическое поперечное сечение

физиологическое поперечное сечение

геометрическое поперечное сечение

161

Слайд 25

2) от исходной длины саркомера. Закрепим оба конца мышцы (изометрический режим

2) от исходной длины саркомера.

Закрепим оба конца мышцы (изометрический режим

сокращения). Начнем наносить раздражение.
Будем увеличивать длину мышцы (l).
О силе сокращения будем судить по развиваемому мышечным волокном напряжению (U).

162

Слайд 26

Саркомер – повторяющийся сегмент миофибрилл, ограниченный Z-мембранами. Состоит из диска А

Саркомер – повторяющийся сегмент миофибрилл, ограниченный Z-мембранами. Состоит из диска А (анизотропный,

темный, т.к. обладает большой плотностью; состоит из толстых нитей белка миозина и тонких нитей белка актина) и двух половинок дисков I (изотропные, светлые, т.к. обладают низкой плотностью; состоят только из тонких нитей).

толстая миозиновая нить

тонкие актиновые нити

диск А

полоса Н

М-мембрана

Z-мембрана

Z-мембрана

диск I

диск I

163

Слайд 27

Fм = fэ х n Fм – сила мышцы fэ –

Fм = fэ х n
Fм – сила мышцы
fэ – сила элементарного

рывка (усилие, развиваемое
одним актомиозиновым мостиком)
n – число мостиков.

Изображенная на графике зависимость связана с изменением количества образующихся актомиозиновых мостиков.

164

Слайд 28

Работа мышцы При поднятии груза A=P·h Р – вес груза h

Работа мышцы При поднятии груза A=P·h Р – вес груза h – высота

поднятия груза При горизонтальном перемещении груза А=f·l·cosα f – сила мышцы l – расстояние перемещения груза α – угол между перемещением груза и направлением действия силы.

165

Слайд 29

Между величиной нагрузки и производимой мышцей работы существует определенная зависимость: по

Между величиной нагрузки и производимой мышцей работы существует определенная зависимость: по

мере увеличения нагрузки работа возрастает до определенного уровня, а затем уменьшается. Максимальная работа производится мышцей при средних нагрузках – правило средних нагрузок.

166

Слайд 30

Работа по поддержанию определенного положения тела в пространстве – статическая. Работа

Работа по поддержанию определенного положения тела в пространстве – статическая.

Работа мышц

по перемещению тела в пространстве или отдельных его частей относительно друг друга – динамическая или фазная.

167

Слайд 31

РАБОТА Внешняя (в изотоническом режиме при условии Fм>Pгр) Внутренняя (на преодоление сил трения, движение ионов) 168

РАБОТА


Внешняя
(в изотоническом режиме при условии Fм>Pгр)

Внутренняя
(на преодоление сил трения,
движение ионов)

168

Слайд 32

Коэффициент полезного действия (КПД) мышечной работы представляет собой отношение величины внешней

Коэффициент полезного действия (КПД) мышечной работы представляет собой отношение величины внешней

механической работы (W) к общему количеству выделенной в виде тепла энергии (Е) КПД=W/E

КПД мышц человека в среднем равен 25 - 30%, т.е. 30% всей энергии затрачивается на сокращение мышц, остальные 70% – преобразуются в тепло. КПД мышц ног от 20 до 35%, рук от 5 до 15%.

169

Слайд 33

170 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОПРЯЖЕНИЕ (МЕМБРАННО-МИОФИБРИЛЛЯРНАЯ СВЯЗЬ) Осуществляет проводящая система мышечного волокна (триада):

170

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОПРЯЖЕНИЕ (МЕМБРАННО-МИОФИБРИЛЛЯРНАЯ СВЯЗЬ) Осуществляет проводящая система мышечного волокна (триада): 1. Цитоплазматическая мембрана мышечного

волокна. 2. Т-трубочка – инвагинация цитоплазматической мембраны мышечного волокна. 3. l-трубочка – терминальная цистерна саркоплазматического ретикулума (СПР). Мембраны l- и Т-трубочек непосредственно соединены посредством соединительных ножек.
Слайд 34

Потенциал действия Мембрана Т-тру-бочка актин миозин 171 СПР содержит ионы кальция

Потенциал действия

Мембрана

Т-тру-бочка

актин

миозин

171

СПР содержит ионы кальция в концентрации 10-4 моль/л.
Их высвобождение

происходит в тот момент, когда Т-трубочки приходят в состояние возбуждения. Благодаря тому, что концентрация кальция в межмиофибриллярном пространстве 10-8 моль/л, его выброс происходит мгновенно – «кальциевый залп».
Насосы, расположенные в стенке СПР, возвращают ионы кальция из цитоплазмы, в результате чего их концентрация снижается до уровня ниже того, при котором может быть инициировано сокращение.
Слайд 35

Механизм сопряжения различен в скелетной, гладкой мышцах и мышце сердца. 172

Механизм сопряжения различен в скелетной, гладкой мышцах и мышце сердца.

172

Слайд 36

1. Скелетная мышца – потенциал лействия, распространяясь по мембране Т-трубочки, изменяет

1. Скелетная мышца – потенциал лействия, распространяясь по мембране Т-трубочки, изменяет

конформацию дигидропиридинового (ДГП) рецептора (блокируется дигидропиридином) таким образом, что открывается рианодинчувствительный кальциевый канал в l-трубочке (замыкается в открытой позиции растительным алкалоидом рианодином). ДГП рецептор – вольтажный сенсор и триггер, открывающий высвобождение кальция.

173

Слайд 37

2. Сердечная мышца – потенциал действия изменяет конформацию ДГП-зависимого кальциевого канала

2. Сердечная мышца – потенциал действия изменяет конформацию ДГП-зависимого кальциевого канала

Т-трубочки, через который происходит поступление внеклеточного кальция, что открывает рианодинчувствительный кальциевый канал в l-трубочке.

3. Гладкая мышца – потенциал действия активирует фосфолипазу С, образуется инозитолтрифосфат, который соединяется с рецептором на инозитолтрифосфат-управляемом (лиганд-зависимом) кальциевом канале СПР, что его открывает.

174

Слайд 38

Сократительные белки мышц – актин и миозин. Были открыты в середине

Сократительные белки мышц – актин и миозин. Были открыты в середине

XIX века: Вильгельм Куне показал, что из водных растворов солей из измельченных мышц экстрагируется целый ряд белковых фракций.

175

Слайд 39

ТОЛСТАЯ НИТЬ (филамент) образована 300 - 400 молекулами белка миозина. В

ТОЛСТАЯ НИТЬ (филамент) образована 300 - 400 молекулами белка миозина.
В состав

каждой молекулы входит шесть полипептидных цепей - две тяжелые и четыре легкие (м.в. всей молекулы около 500 000 Дальтон). Цепи прочно ассоциированы друг с другом нековалентными связями. Каждая тяжелая цепь (м.в. 200 000 - 250 000) имеет маленькую грушевидную головку и длинный спирализованный хвост. При расщеплении миозина трипсином образуются два фрагмента – легкий и тяжелый меромиозин (соотв. LMM и НММ). LMM (м.в. 150 000) образует фрагмент стержневой части молекулы длиной 80 нм. НММ (м.в. 340 000) образует головку и часть хвоста, длина 70 нм. При дальнейшем воздействии трипсина от молекулы миозина отщепляются головки (субфрагменты 1 (S1)) и стержневой фрагмент НММ (субфрагмент 2 (S2)). Головка миозина обладает АТФ-азной активностью, что было открыто В.А.Энгельгардтом и М.Н.Любимовой в 1939 году.

176

Слайд 40

Части головки: N-концевая – АТФ-связывающий центр, центральная – актин-связывающий центр, С-концевая

Части головки: N-концевая – АТФ-связывающий центр, центральная – актин-связывающий центр, С-концевая

– каркас головки, соединена гибким шарнирным сочленением со спирализованным хвостом тяжелых цепей миозина, имеет центры связывания легких цепей миозина (м.в. 18 000 - 28 000 Дальтон), которые находятся в области шейки (перехода головки в хвост) и влияют на способность миозина взаимодействовать с актином, т.е. участвуют в регуляции мышечного сокращения.

N-концевая

центральная

С-концевая

Миозин

АТФ-связывающий участок

углубление

177

Слайд 41

N-концевая центральная С-концевая Миозин АТФ-связывающий участок углубление 178 Контур головки напоминает

N-концевая

центральная

С-концевая

Миозин

АТФ-связывающий участок

углубление

178

Контур головки напоминает змею с приоткрытой «пастью», челюсти которой формируют

актин-связывающий центр. При гидролизе АТФ происходит периодическое открывание и закрывание этой «пасти», в зависимости от чего изменяется взаимодействие головки миозина с актином.
Слайд 42

Головки образуют на поверхности толстой нити трехзаходную спираль. Хвосты тяжелых цепей

Головки образуют на поверхности толстой нити трехзаходную спираль. Хвосты тяжелых цепей миозина

скручены между собой как канат, могут слипаться друг с другом за счет электростатических взаимодействий. В нескольких местах жесткая структура хвоста нарушена за счет шарнирных участков, обеспечивающих подвижность отдельных частей молекулы миозина: один расположен в основании головки, другой на расстоянии 43 нм от первого.

мембрана М

150 нм

диаметр хвоста 3 нм

толщина головки 9,5 нм на конце и 5,5 нм в месте прикрепления к хвосту

1600 нм

179

Слайд 43

Хвосты миозина упаковываются как в параллельном, так и в антипараллельном направлении

Хвосты миозина упаковываются как в параллельном, так и в антипараллельном направлении

с формированием биполярных (двухполюсных) филаментов (половина молекул миозина повернута своими головками в одну сторону, а вторая – в другую). В центре филамента молекулы агрегированы хвост к хвосту, в результате чего образуется зона, не несущая головок (Н-зона). По обеим сторонам от центра филамента молекулы агрегированы полярно (хвост к голове).

мембрана М

150 нм

диаметр хвоста 3 нм

толщина головки 9,5 нм на конце и 5,5 нм в месте прикрепления к хвосту

1600 нм

180

Слайд 44

В поперечном сечении толстая нить содержит 27 молекул миозина. При расположении

В поперечном сечении толстая нить содержит 27 молекул миозина. При расположении их

всех на поверхности нити, образовалась бы полая трубка диаметром 22 нм, а реальная толщина толстой нити 15 нм. Принцип упаковки – на поверхности находится легкий меромиозин 18 молекул миозина, а субфрагменты 2 тяжелого меромиозина 9 молекул находятся внутри трубки, образованной легким меромиозином. Т.е. молекулы миозина как бы «вплетeны» в структуру толстой нити.

181

Слайд 45

Тонкая нить образована 400 молекулами белка актина (открыт венгерским биохимиком Бруно

Тонкая нить образована 400 молекулами белка актина (открыт венгерским биохимиком Бруно

Штраубом в 1948 году). Название получил из-за способности активировать гидролиз АТФ, катализируемый миозином. Актин – вездесущий белок (обнаружен практически во всех клетках животных и растений). Очень консервативен. Мономеры актина имеют вид глобул – G-актин (диаметр 5,5 нм).
Продукт их взаимодействия (полимеризации) –
фибриллярный или F-актин.

В тонкой нити таких цепочек две, они перевиты одна вокруг другой (как нитки бус). Шаг спирали 73 нм, поэтому ее нити перекрещиваются между собой через каждые 36,5 нм. Актиновые филаменты имеют длину 1000 нм и диаметр около 8 нм. М.в. актина 42 000 Дальтон.

182

Слайд 46

В состав тонкой нити также входят регуляторные белки – стержни тропомиозина

В состав тонкой нити также входят регуляторные белки – стержни тропомиозина

и глобулы тропонина (через участки цепи из семи глобул актина).

ТРОПОМИОЗИН

ТРОПОНИН

183

Слайд 47

МЕХАНИЗМ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ. Теория скольжения – братья Х. и А. Хаксли,

МЕХАНИЗМ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ. Теория скольжения – братья Х. и А. Хаксли, Хансон

(1954): скольжение тонких нитей вдоль толстых за счет циклического замыкания и размыкания контактов между ними, формируемых головками миозина, которые могут гидролизовать АТФ и за счет освободившейся энергии генерировать тянущее усилие. Первоначально головка миозина расположена перпендикулярно актиновой нити, затем наклоняется на 45о. За 1 секунду головка осуществляет 50 таких движений. Шаг перемещения актиновой нити – 0,8 нм.

184

Слайд 48

Малый сократительный элемент (МСЭ) – толстая нить, окруженная 6 тонкими (гексагональная

Малый сократительный элемент (МСЭ) – толстая нить, окруженная 6 тонкими (гексагональная

упаковка). Имеет внутреннюю «резьбу» – глобулы тропонина выходят из регистра тонкой нити таким образом, что точно попадают в бороздки, образованные головками миозина на поверхности толстой нити. «Резьба» обеспечивает равномерность закручивания. Это необходимо, поскольку саркомер включается в работу с дистальных концов (там выбрасывается кальций из СПР). Нить закручивается в разные стороны относительно мембраны М.

В настоящее время теория опровергнута, т.к. при сокращении: 1) уменьшается длина не только диска I, но и А; 2) толстая нить утолщается и укорачивается; 3) происходит не линейное, а азимутальное перемещение массы; 4) головка миозина, имеющая длину 20 нм, не может совершать гребковые движения, т.к. расстояние между
толстой и тонкими нитями 13 нм.
Поэтому разработана новая теория, объясняющая мышечное сокращение – теория вкручивания (Н.С. Мирошниченко, М.Ф. Шуба, 1990): толстая нить вкручивается в трубкообразную структуру, образованную 6 тонкими нитями.

185

Слайд 49

В покое головка миозина уподоблена сжатой пружине, распрямиться которой мешает тропонин-тропомиозиновый

В покое головка миозина уподоблена сжатой пружине, распрямиться которой мешает тропонин-тропомиозиновый

комплекс, играющий роль защелки. В «выключенном» состоянии защелка ионизирована ТnСCOO-. После выброса кальция из СПР защелка переходит в неионизированное «включенное» состояние: ТnСCOO- + Ca++ → ТnСCOOCa В таком виде она приобретает способность к перемещению или деформации. Тогда головка миозина, сместив преграду на своем пути, зацепляется за актиновую нить.

Структурные изменения, произошедшие с головкой, активируют АТФ-азу миозина. Выделяющаяся энергия расходуется на междоменные перемещения в головке (от англ. domain – область; начинают двигаться не отдельные атомы, а целые области молекулы). Итогом таких перемещений является уменьшение расстояния между отходом головки от остова толстой нити и ее зацеплением за актиновую нить. В результате толстая нить начинает поворачиваться, а благодаря внутренней «резьбе» МСЭ, и перемещаться вдоль тонких нитей, т.е. вкручиваться в образованную ими трубку.

186

Слайд 50

Роль кальция и протонов. Кальций, как уже указывалось, инициирует мышечное сокращение.

Роль кальция и протонов. Кальций, как уже указывалось, инициирует мышечное сокращение. При

гидролизе АТФ появляются протоны. Они конкурируют с кальцием за карбоксилаты тропонина и вытесняют его: ТnСCOOCa + Н+ → ТnСCOOН+Са ++ Кальций откачивается в СПР. Защелка, по-прежнему, остается в неионизированном, т.е. «включенном» состоянии. Следовательно, протоны поддерживают мышечное сокращение. При ресинтезе АТФ протоны потребляются, защелка переходит в ионизированное состояние и препятствует взаимодействию нитей.

кальций инициирует

187

протоны поддерживают

Слайд 51

МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ В конце 19 века в классических опытах

МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ В конце 19 века в классических опытах английского

физиолога С. Рингера была установлена ключевая роль Са2+ как регулятора сокращения мышц. В миоцитах существуют специальные регуляторные системы, отслеживающие изменения концентрации этих ионов внутри клетки. В зависимости от того, где располагаются Са2+-связывающие белки, различают:

миозиновый тип регуляции сократительной активности

актиновый тип регуляции сократительной активности

188

Слайд 52

Миозиновый тип характерен для гладких мышц, с миозиновыми филаментами которых связан

Миозиновый тип характерен для гладких мышц, с миозиновыми филаментами которых связан

фермент «киназа легких цепей миозина» (КЛЦМ), относящийся к группе протеинкиназ – ферментов, способных переносить концевой остаток фосфата АТФ на оксигруппы остатков серина или треонина белка. В покое КЛЦМ неактивна, поскольку специальный ингибиторный участок закрывает активный центр фермента и не дает ему взаимодействовать с истинным субстратом. В цитоплазме гладких мышц есть кальмодулин – белок, имеющий четыре Са-связывающих центра. Связывание с Са2+ изменяет его структуру так, что он может взаимодействовать с КЛЦМ. Это приводит к удалению ингибиторного участка из активного центра этого фермента и его активации.

В результате происходит фосфорилирование регуляторной легкой цепи миозина. Это приводит к значительным изменениям не только ее структуры, но и структуры тяжелой цепи в области ее контакта с легкой цепью, вследствие которых миозин оказывается способным взаимодействовать с актином и начинается
мышечное сокращение.

189

Слайд 53

При снижении концентрации кальция в клетке происходит диссоциация Са2+ из катионсвязывающих

При снижении концентрации кальция в клетке происходит диссоциация Са2+ из катионсвязывающих

центров кальмодулина, отсоединение последнего от КЛЦМ, которая тут же теряет свою активность. Но, поскольку легкие цепи миозина находятся еще в фосфорилированном состоянии, головки миозина продолжают циклические движения. Для того, чтобы их остановить, надо удалить остаток фосфата с регуляторной легкой цепи миозина.

Это осуществляет фермент «фосфатаза легких цепей миозина». Головки дефосфорилированного миозина не могут осуществлять циклические движения. Наступает расслабление.

190

Слайд 54

Актиновый тип характерен для поперечнополосатых скелетных мышц и сердечной мышцы. В

Актиновый тип характерен для поперечнополосатых скелетных мышц и сердечной мышцы. В

глубине продольных канавок, образующихся с двух сторон тонкой нити из-за перекручивания цепей актина друг относительно друга, находится сильно спирализованный белок тропомиозин (м.в. 67 000). Каждая его молекула состоит из двух одинаковых (или очень похожих друг на друга) полипептидных цепей (образованы идентичными по первичной структуре фрагментами, содержащими по 42 аминокислотных остатка), которые также перекручены друг относительно друга. Одна молекула тропомиозина контактирует с семью глобулами актина и с предыдущей и последующей молекулами тропомиозина, т.е. внутри всей канавки актина расположен непрерывный тяж тропомиозина.

Помимо тропомиозина на актиновой нити расположен тропониновый комплекс, состоящий из трех субъединиц: тропонин С (м.в. 20 000) – связывает Са2+, по структуре и свойствам похож на кальмодулин; тропонин I (м.в. 25 000) – связывается с актином, ингибирует всякого рода взаимодействия между актином и миозином; тропонин Т (м.в. 37 000) – прикрепляет тропонин к тропомиозину. Комплексы имеют размер с 2 - 3 глобулы актина, располагаются через каждые семь мономеров актина.

191

Слайд 55

В покое, когда концентрация Са2+ в цитоплазме мала, регуляторные центры тропонина

В покое, когда концентрация Са2+ в цитоплазме мала, регуляторные центры тропонина

С не насыщены им и тропонин-тропомиозиновый комплекс ограничивает доступность актина для головок миозина – тропонин С своим С-концом слабо взаимодействует с тропонином I, ингибиторный и С-концевой участки которого взаимодействуют с актином и с помощью тропонина Т выталкивают тропомиозин из канавки на поверхность актина. После присоединения к тропонину С четырех ионов кальция он образует прочный комплекс с тропонином I, в результате чего ингибиторная и С-концевая части последнего диссоциируют от актина. Поскольку теперь ничто не удерживает стержень тропомиозина на поверхности актина, он закатывается на дно канавки. В результате открываются активные центры актина и он может взаимодействовать с миозином.

актин

актин

тропонин I

тропонин C

тропонин Т

Са

Са

Са

Са

192

тропомиозин

Слайд 56

Из-за того, что молекулы тропомиозина взаимодействуют друг с другом, изменения положения

Из-за того, что молекулы тропомиозина взаимодействуют друг с другом, изменения положения

одного тропомиозина повлечет за собой перемещение предыдущей и последующей молекул тропомиозина. Именно поэтому локальные изменения структуры тропонина и тропомиозина быстро распространяются вдоль всего актинового филамента. Это увеличивает доступность актина для головок миозина.

Глобулярный актин

Тропонин

Тропомиозин

Са2+

193

Слайд 57

ЭНЕРГЕТИКА МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ АТФазная реакция креатинкиназная реакция (КФ+АДФ=К+АТФ) гликолиз окислительное фосфорилирование 194

ЭНЕРГЕТИКА МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

АТФазная реакция
креатинкиназная реакция (КФ+АДФ=К+АТФ)
гликолиз
окислительное

фосфорилирование

194

Слайд 58

КИСЛОРОДНЫЙ ЗАПРОС – количество кислорода, необходимое для полного обеспечения выполняемой работы.

КИСЛОРОДНЫЙ ЗАПРОС – количество кислорода, необходимое для полного обеспечения выполняемой работы. КИСЛОРОДНЫЙ

ДОЛГ – количество кислорода, необходимое для окисления накопившихся в организме при интенсивной мышечной работе недоокисленных продуктов обмена. Образуется, т.к. органы снабжения кислородом не могут быстро удовлетворить кислородный запрос. В общем кислородном долге различают две части:

алактатная – связана с ресинтезом АТФ и восполнением израсходованных кислородных резервов организма. «Оплачивается» очень быстро – не более, чем за 1 - 1,5 минуты

лактатная – отражает окислительное устранение молочной кислоты. «Оплачивается» более медленно – от нескольких минут до 1,5 часов

195

Слайд 59

ФАЗЫ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ В МЫШЦЕ Начальное теплообразование – вызывается биохимическими анаэробными процессами,

ФАЗЫ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ В МЫШЦЕ Начальное теплообразование – вызывается биохимическими анаэробными процессами, ведущими

к сокращению мышцы: тепло активации – во время возбуждения, предшествующего сокращению, выделяется небольшое количество тепла; тепло укорочения – при одиночном сокращении мышцы на нее приходится 65 - 70% тепла; тепло расслабления (30 - 35%) – запаздывающее анаэробное теплообразование. Восстановительная или отставленная фаза теплообразования – вызывается окислительными процессами, обеспечивающими ресинтез АТФ, главным образом гликолизом и окислительным фосфорилированием.

196

Слайд 60

В первую фазу выделяется около 40%, а во вторую – около

В первую фазу выделяется около 40%, а во вторую – около

60% всей тепловой энергии, образовавшейся в мышце.

197

Слайд 61

В начале расслабление идёт пассивно – за счёт эластических компонентов мышцы

В начале расслабление идёт пассивно – за счёт эластических компонентов мышцы

(сухожилий, связок), а затем активно.

  МЕХАНИЗМ РАССЛАБЛЕНИЯ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ  

198