Механизмы сокращения скелетных мышц

Сердечная

Скелетная

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

на одном уровне

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

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.

(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

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

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

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

и миозиновых филаментов)

и миозиновых филаментов)

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)

в цитоплазме

Зависимость между концентрацией кальция в цитоплазме и силой, развиваемой мышечным волокном

Ca2+

Электромеханическое сопряжение в скелетной мышце

Сопряжение возбуждения наружной мембраны мышечной клетки (электрического процесса) и сокращения мышцы (механического ответа)

запускает высвобождение Са2+ из саркоплазматического ретикулума (СПР)

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)

Chandler, Rakowski and Schneider (1976)

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)

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)

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

воздействие градуальным сокращением

У человека миозин IIB типа не экспрессируется (самые быстрые волокна принадлежат к IIX типу)

(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

system

Physiol. 2007 292(5):C1915-26.

In vitro motility system

Максимальная скорость укорочения

Скорость движения актиновых нитей

I

IIa

IIx

воздействие градуальным сокращением

У человека миозин IIB типа не экспрессируется (самые быстрые волокна принадлежат к IIX типу)

ферментов

Гистохимическое окрашивание капилляров

Гистохимическое окрашивание на активность сукцинат-дегидрогеназы (фермент дыхательной цепи митохондрий)

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

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)

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

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

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

спортсменов: http://bigpicture.ru/?p=461972

окрашивание антителами к разным изоформам миозина

и гликолиза

А и В – окрашивание антителами к разным изоформам миозина

С: окрашивание на активность сукцинатдегидрогеназы

D: окрашивание на активность глицерофосфатдегидрогеназы