Участие ионов кальция в сокращении мышц. Гладкие мышцы

Обновлено: 20.05.2024

Сокращения в гладкой мышце инициируются и, соответственно, поддерживаются благодаря повышению концентрации ионов кальция в цитоплазме. Как и для других мышечных типов (скелетная мышца и сердечная мышца) источниками кальция является либо внеклеточная жидкость, либо внутриклеточные депо, в основном, саркоплазматический ретикулум. Сокращения гладкой мышцы возникают в основном в ответ на действие возбуждающих нейротрансмиттеров, либо гормонов и биологически активных веществ. Интересно отметить, что в различных типах гладких мышц механизм сокращения может значительно различаться по двум ключевым параметрам: во-первых, по относительному вкладу двух названных выше источников ионов кальция в процесс сопряжения возбуждения и сокращения и, во-вторых, по типам кальциевых каналов, через которые ионы кальция поступают в клетку. В настоящее время наиболее хорошо изучен вход ионов кальция через потенциал-зависимые кальциевые каналы, и в частности, через дигидропиридин-чувствительный L-тип кальциевых каналов. Однако в гладкой мышце присутствуют еще несколько типов кальциевых каналов, которые не активируются изменениями мембранного потенциала, но играют большую роль - это так называемые рецептор-управляемые кальциевые каналы, которые активируются агонистами с участием G-белка, и депо-управляемые кальциевые каналы, активируемые уменьшением запасов кальция в саркоплазматическом ретикулуме [35, 241, 355].

Таким образом, в гладкомышечных клетках существует три главных пути повышения концентрации ионов кальция в саркоплазме: 1) вход Са 2+ через потенциал-зависимые каналы в ответ на деполяризацию клетки; 2) вход Са 2+ через потенциал-независимые (рецептор-управляемые) каналы; 3) освобождение Са 2+ из саркоплазматического ретикулума [48, 70, 200, 282, 305, 306].

В последнее десятилетие в научной литературе появились данные, которые свидетельствуют о том, что важный вклад в сопряжение возбуждения и сокращения в гладкомышечных клетках вносят электронейтральные ионные обменники - Na + /Н + обменник, Na + ,K + ,2Cl - - и K + ,Cl - котранспортеры [11, 10, 15, 180] . Обменники, участвующие в транспорте ионов Cl - , чувствительны к изменениям объема клеток. Поэтому основной их функцией является регуляция клеточного объема и поддержание внутриклеточного гомеостаза одновалентных ионов [276]. В сосудитых гладкомышечных клетках обнаружены объем- и кальций-зависимые хлорные каналы. Получены экспериментальное подтверждение того, что хлорные каналы также могут участвовать в модификации внутриклеточных сигнальных процессов и в механизмах сопряжения возбуждения и сокращения [42, 57, 164, 176].

Сопряжение процессов возбуждения и сокращения в гладкой мышце реализуется двумя механизмами - электромеханическим и фармакомеханическим. При электромеханическом сопряжении движущей силой для повышения внутриклеточного кальция является мембранная деполяризация с последующим открытием потенциал-зависимых кальциевых каналов. Использование в клинической практике блокаторов кальциевых каналов (так называемых кальциевых антагонистов) основано на блокировании входа кальция через потенциал-зависимые кальциевые каналы с последующим расслаблением гладких мышц сосудов, вазодилятацией и понижением кровяного давления. Электромеханическое сопряжение имеет превалирующее значение для фазных тонических мышц, которые демонстрируют выраженные осцилляции мембранного потенциала.

С другой стороны, фармакомеханическое сопряжение зависит не столько от изменений мембранного потенциала (хотя такие изменения и могут наблюдаться) и входа ионов кальция через потенциал-зависисмые кальциевые каналы, сколько от повышения уровня внутриклеточного кальция, которое обеспечивается открытием рецептор-управляемых и/или депо-управляемых кальциевых каналов. Фармакомеханическое сопряжение характерно для тонических гладких мышц и является энергетически наиболее выгодным для организма [310].

Гладким мышцам одних органов свойственно электромеханическое сопряжение, например, подвздошная кишка морской свинки [380], в то время как другим свойственно фармакомеханическое сопряжение, например, m.anococcygeus мыши [108]. Однако в большинстве гладких мышц присутствуют оба перечисленных механизма сопряжения, которые реализуют соответствующий тип сокращения в зависимости от преобладания того или иного механизма.

Ионы кальция в мышечных волокнах

Описаны химические свойства кальция и основные функции, которые выполняют ионы кальция в мышечных волокнах: участие в процессе сокращения мышечного волокна; участие в протекании креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ; участие в протекании гликолиза; участие в катаболизме белка.

Давайте поговорим о тех функциях, которые выполняют ионы кальция в мышечных волокнах. Но вначале вспомним, что такое кальций.

Кальций

Кальций (Са) - мягкий, химически активный щелочноземельный металл серебристо-белого цвета. Термин предложен Гемфри Дэви, который впервые получил кальций в чистом виде в 1808 году, выделив его из влажной гашеной извести. Из-за высокой активности кальций в свободном виде в природе не встречается. Широко известны соединения кальция - известняк, гипс, мрамор.

Место хранения ионов кальция в мышечном волокне

Функции ионов кальция в мышечном волокне

Ионы кальция (Са 2+ ) в мышечных волокнах выполняют ряд функций. Они участвуют:

в процессе сокращения мышечного волокна;
в протекании креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ;
в протекании гликолиза;
в катаболизме белка.

Теперь немного подробнее о каждой функции.

Участие в процессе сокращения мышечного волокна

После того, как потенциал действия достигает Т-трубочек и саркоплазматического ретикулума, из него в саркоплазму выделяются ионы кальция. Считается, что в покое молекулы тропомиозина находятся над активными центрами белка актина и предотвращают прикрепление к ним головок миозина. После выделения ионов кальция из саркоплазматического ретикулума, они присоединяются к тропонину. Тропонин изменяет свою конфигурацию и «приподнимает» молекулы тропомиозина с активных участков актина. Как только открываются активные участки актина, к ним присоединяются головки миозина и начинается процесс сокращения мышечного волокна.

Участие в протекании креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ

Расщепление креатинфосфата в мышечных волокнах ускоряется ферментом креатинкиназой. Активность этого фермента значительно возрастает при физических нагрузках за счет активирующего действия на неё ионов кальция.

Участие в протекании гликолиза

Гликолиз - один из путей ресинтеза АТФ при мышечной деятельности. В мышечных волокнах гликолиз представляет собой анаэробный распад гликогена до молочной кислоты (лактата). Гликолиз катализируется (ускоряется) ферментами: фосфорилазой и фосфофруктокиназой. Фосфорилаза активируется стрессовым гормоном адреналином, который выделяется в кровь непосредственно перед началом физической нагрузки. Также фермент фосфорилаза активируется ионами кальция.

Участие в катаболизме белка

Доказано, что ионы кальция активируют протеазы - ферменты, приводящие к катаболизму белка. По-видимому, чтобы оградить мышечное волокно от полного разрушения, работает кальциевый насос, который закачивает ионы кальция в саркоплазматический ретикулум.

Саркоплазма мышечных волокон

Дана характеристика состава саркоплазмы мышечных волокон. Описано изменение состава и механических свойств саркоплазмы (вязкости) при сокращении мышцы.

Объем внутри мышечного волокна заполнен желеобразным коллоидным раствором - саркоплазмой. В ней протекают активные биохимические процессы расщепления и синтеза разнообразных органических веществ, обеспечивающих энергетическое снабжение сократительного аппарата.

Внутри саркоплазмы мышечного волокна содержатся:

органеллы специального назначения (миофибриллы);
органеллы общего назначения,
включения.

Об органеллах специального назначения (миофибриллах) уже было подробно рассказано, также очень подробно описаны органеллы общего назначения: ядра, митохондрии, саркоплазматический ретикулум, рибосомы, лизосомы, комплекс Гольджи. Теперь подробнее остановимся на включениях. Включения мышечного волокна содержат: белки, экстрактивные вещества, углеводы, жиры и многое другое.

Белки саркоплазмы

На долю белков саркоплазмы приходится 25-30% белков мышц.

Во-первых, к белкам саркоплазмы можно отнести все белки, которые необходимы для миофибриллогенеза (синтеза миофибрилл) и для обеспечения структуры мышечного волокна. Так как наши мышечные волокна постоянно разрушаются и синтезируются, следовательно, в саркоплазме должны обязательно присутствовать белки из которых строятся миофибриллы. К таким белкам относятся: миозин (основной белок толстого филамента), актин, тропонин и тропомиозин (основные белки тонкого филамента), титин (соединяет толстый филамент с Z-диском), десмин, виментин, синемин, дистрофин, спектрин (белки, участвующие в привязке миофибрилл друг к другу и к сарколемме мышечного волокна).

Во-вторых, одним из необходимых компонентов саркоплазмы является белок миоглобин. Посредством этого белка осуществляется перенос кислорода внутри мышечного волокна.

В-третьих, в саркоплазме находятся различные ферменты. Напомню, что ферменты — это особые белки, выполняющие функцию катализаторов химических реакций. Среди саркоплазматических белков можно выделить следующие:

АТФ-азу — фермент, принимающий активное участие в сокращении мышечного волокна, так как он является катализатором реакции гидролиза, при которой происходит выделение энергии.
Креатинкиназу — фермент, который участвует в креатинфосфатном пути ресинтеза АТФ. При повреждении мышечных волокон концентрация креатинкиназы в крови возрастает.
Основные ферменты гликолиза: фосфорилазу и фосфофруктокиназу, расщепляющие гликоген или глюкозу до пировиноградной или молочной кислоты.

Помимо белков в саркоплазме содержатся аминокислоты, из которых синтезируются белки. В большом количестве имеется глутаминовая кислота и глутамин.

Экстрактивные вещества

В саркоплазме также содержатся небелковые азотсодержащие вещества. Среди них: АТФ, АДФ и АМФ. К экстрактивным веществам относится креатинфосфат, креатин и креатинин.

Углеводы саркоплазмы

В саркоплазме имеется основной углевод - гликоген. Свободной глюкозы в саркоплазме мало. При мышечном сокращении в саркоплазме накапливаются продукты углеводного обмена - лактат и пируват.

Также в саркоплазме мышечных волокон имеются капельки жира. И, конечно, одним из основным компонентов саркоплазмы является вода.

Сокращение мышечного волокна

При сокращении мышечного волокна в саркоплазму из саркоплазматического ретикулума выделяются ионы кальция. После окончания сокращения мышечного волокна ионы кальция закачиваются обратно в саркоплазматический ретикулум посредством кальциевого насоса.

В саркоплазме мышечных волокон имеются ионы калия (К + ). Во время сокращения мышечного волокна ионы калия через калиевые каналы выходят из мышечного волокна в тканевую жидкость, а в саркоплазму мышечного волокна проникают ионы натрия (Na + ). После окончания сокращения мышечного волокна посредством натрий-калиевых насосов (Na + — К + ) ионы калия закачиваются в саркоплазму мышечного волокна, а ионы натрия - в тканевую жидкость, окружающую мышечные волокна.

Вязкость саркоплазмы

Саркоплазма обладает сравнительно высокой вязкостью, которая еще больше возрастает при возбуждении мышечного волокна. Вследствие этого она оказывает сопротивление укорочению миофибрилл, то есть создает внутреннее трение и в большей или меньшей мере замедляет сокращение или расслабление мышцы.

Сокращение скелетных мышц человека

Описан процесс сокращения скелетных мышц человека, который состоит из ряда этапов. Первый этап связан с поступлением нервного импульса по аксону мотонейрона к мышечному волокну. Второй этап заключается в возникновении потенциала действия и распространении его вдоль мышечного волокна. В результате третьего этапа в саркоплазму выделяются ионы кальция, что приводит к началу взаимодействия толстого и тонкого филаментов. Четвертый этап представляет собой скольжение тонких филаментов относительно толстых, что составляет собственно сокращение мышцы.

Давайте теперь разберемся в механизме сокращения мышцы, точнее в механизме сокращения мышечных волокон, а еще более точно в механизме сокращения миофибрилл или другими словами, в механизме сокращения саркомера. Этот процесс можно условно разделить на несколько этапов.

Поступление нервного импульса к мышечному волокну

Чтобы сократиться, мышца должна получить сигнал из центральной нервной системы (ЦНС). Такими сигналами являются импульсы, поступающие по мотонейрону к мышце.

Вспомним, что при подходе к мышце аксон мотонейрона ветвится, то есть пускает веточки к мышечным волокнам. Если такого соединения нет, мышечное волокно сокращаться не будет и постепенно атрофируется.

Возникновение потенциала действия

После того, как по аксону мотонейрона к мышечным волокнам приходит импульс, из него в области соединения выделяется ацетилхолин. Выделение этого нейромедиатора (ацетилхолина) приводит к протеканию ряда процессов, в результате которых меняется полярность сарколеммы мышечного волокна. Это называется деполяризацией сарколеммы мышечного волокна. В результате развивается потенциал действия.

Выделение ионов кальция

Потенциал действия через отверстия в сарколемме «проникает» внутрь мышечного волокна и через Т-трубочки достигает саркоплазматического ретикулума (то есть происходит деполяризация не только мембраны мышечного волокна, но и мембран Т-трубочек и саркоплазматического ретикулума). Это в конечном счете приводит к выделению из саркоплазматического ретикулума ионов кальция в саркоплазму мышечного волокна (рис. 1).

Рис.1. Механизм сокращения скелетных мышц

Затем ионы кальция соединяются с тропонином (тропонин - один из белков тонкого филамента). Этот белок имеет шарообразную форму и расположен в тонком филаменте регулярно через определенные расстояния. После соединения с ионами кальция, тропонин меняет свою конфигурацию и приподнимает длинные тропомиозиновые трубки. Когда мышца неактивна, длинные трубки белка тропомиозина закрывают активные центры на актине. После того как тропомиозиновые трубки приподнимаются, на актине открываются активные центры. К ним теперь могут прикрепляться миозиновые головки.

Сокращение саркомера (гребковая гипотеза, теория скользящих нитей)

Когда миозиновая головка толстого филамента прикрепляется к тонкому филаменту, между толстым и тонким филаментами начинается взаимодействия (говорят: «Образуется поперечный мостик» (рис. 2). При взаимодействии с актином каждая миозиновая молекула ежесекундно расщепляет с выделением энергии до 10 молекул АТФ. За счет энергии, высвобождающейся при расщеплении АТФ, миозиновая головка поворачивается и тянет тонкий филамент в направлении центра саркомера. Это приводит к скольжению толстого и тонкого филаментов относительно друг друга. В конце гребка (поворота) к миозиновой головке присоединяется новая молекула АТФ, что приводит к отделению головки от актина и присоединению её к новому активному участку тонкого филамента. Многократное повторение этого процесса приводит к тому, что расстояние между Z-дисками уменьшается. Следовательно, происходит уменьшение длины саркомера. Одновременное сокращение всех саркомеров, расположенных последовательно вдоль миофибриллы приводит к уменьшению её длины, длины мышечного волокна и всей мышцы в целом. Мышца работает в преодолевающем режиме.

Прекращение импульсов, поступающих от мотонейрона к мышечному волокну приводит к расслаблению мышцы.

Рис.2. Схема, иллюстрирующая взаимодействие толстого и тонкого филаментов (Л. Страйер, 1985)

Роль ионов кальция в регуляции мышечного сокращения

Ключевая роль в регуляции мышечного сокращения принадлежит ионам кальция (Са 2+ ). Миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться лишь при наличии в среде определенных концентраций ионов кальция. В покоящейся мышце концентрация ионов Са 2+ поддерживается ниже пороговой величины при участии Са 2+ -зависимой АТФазы. В состоянии покоя эта система активного транспорта накапливает кальций в цистернах саркоплазматического ретикулума и трубочках Т-системы.

Мышечное сокращение инициируется приходом потенциала действия на концевую пластинку двигательного нерва. В синапс выделяется ацетилхолин, который связывается с постсинаптическими рецепторами мышечного волокна. Далее потенциал действия распространяется вдоль сарколеммы к поперечным трубочкам Т-системы и происходит передача сигнала на цистерны саркоплазматического ретикулума. Последние начинают освобождать находящийся в них кальций в саркоплазму. Концентрация Са 2+ увеличивается с 10-7 до 10-5 ммоль/л. Кальций связывается с Тн-С, что вызывает конформационные сдвиги, передающиеся на тропомиозин и далее - на актин. Открываются закрытые ранее центры в актине для связывания с миозином. Актин взаимодействует с миозином, что инициирует сокращение мышечного волокна.

После прекращения действия двигательного импульса кальций с помощью Са 2+ -зависимой АТФазы откачивается из цитоплазмы в цистерны саркоплазматического ретикулума. Уход кальция из комплекса с Тн-С приводит к смещению тропомиозина и закрытию активных центров актина. Миозиновая «головка» отсоединяется от актина. Мышца расслабляется.

Читайте также: