Как се съкращава мускулът?

Mолекулен механизъм на мускулното съкращение

Мускулното съкращение на напречнонабраздената мускулна тъкан трябва да може да се извършва бързо и многократно, и да се извършва с достатъчна сила, така че да се осигури преместването на масивни части от тялото една спрямо друга.

Осигуряването на подобна висока ефективност на работа се извършва от т.нар. актомизин – комплекс, съставен от протеините актин и миозин, който се намира във всяка една мускулна клетка.

Посредством този комплекс мускулните клетки превръщат химичната енергия пряко в механична работа, за разлика от машините, където химичната работа се трансформира в редица междинни видове енергия (електрична, механична), преди да се превърне в работа.

Като следствие коефицентът на полезно действие на мускулите е много по-висок, отколкото при машините. За да придобиете представа каква е мощта на мускулите, ще ви дадем следния пример: когато се съотнесе мощността към теглото, което се премества, самолетните двигатели са само 10 до 40 пъти по-мощни от мускула.

Двигателят на една лека кола от среден клас е само 1 и половина пъти по-мощен от мускулите.

Устройство на напречнонабраздените мускули

Напречнонабраздените (волевите) мускули представляват снопове от мускулни влакна (клетки) – миофибри. Всяко отделно мускулно влакно представлява една огромна клетка с дължина до няколко сантиметра, която е образувана от сливането на множество клетки по време на ембрионалното развитие и по тази причина съдържа не само едно ядро, а стотици ядра, които са изтласкани непосредствено под клетъчната мембрана.

Освен стотиците ядра, всяка миофибра притежава клетъчна мембрана (сарколема) и протоплазма (саркоплазма), в която се намират калциеви депа (цистерните на саркоплазматичния ретикулум).

Останалата по-голяма част от цитоплазмата на мускулното влакно е изпълнена с неговият съкратителен апарат - миофибрилите. Миофибрилите са цилиндрични снопчета от два вида белтъчни нишки – дебели нишки от миозин и тънки нишки от актин.

Всяка миофибрила представлява верига от съкратителни единици, наречени саркомери, които придават набразден вид на волевата мускулатура (фигура 1).

Устройство на саркомерите

Всеки саркомер е образуван от миниатюрни, прецизно подредени, взаимно успоредни и частично прикрокриващи се нишки, които са два вида – тънки и дебели. Краят на всеки саркомер се означава като Z-диск.

Тънките нишки са изградени от актин и спомагателни протеини, като условно тези нишки имат два края - "положителен" и "отрицателен".

Чрез положителния си край тънките нишки се захващат за Z-диска , а "отрицателния" им край достига до средата на саркомера, където се припокриват с дебелите нишки, които са изградени от различни форми на протеина миозин.

При надлъжен срез във всеки саркомер се наблюдават три зони (бандове) – А-зона (тъмна зона), която съдържа миозин и актин, I-зона (светла зона), която съдържа само актин, и средна зона (H-банд), съдържаща само миозин. Миозиновите нишки се "срещат" в т.нар. М-линия, която е в средата на саркомера (фигура 2).

Ако се направи напречно сечение в района на припокриване на тънките и дебелите нишки, под микроскоп се вижда хексагоналното разположение на актина спрямо миозина (тънките нишки спрямо дебелите) (фигура 3).

Два спомагателни протеина – титин и небулин, също допринасят за оформяне на структурата и стабилността на саркомерите. Единични титинови молекули свързват М-линията със Z-диска.

Приема се, че функцията на титина е да придържа миозиновите молекули в центъра на саркомера и да играе ролята на "амортисьор" - да връща саркомера към нормалната му дължина, когато е преразтегнат.

Нишките от небулин са свързани с актина и се приема, че регулират процеса на сглобяване на актиновите нишки (фигура 4).

Установено е, че тънките нишки се състоят предимно от усукани помежду си молекули на белтъка актин, намиращ се в полимеризирана, фибриларна форма (F-актин).

Върху F-актина има центрове за свързване, към които могат да се прикрепят дебелите нишки. При покой тези центрове са недостъпни и се "откриват" само когато в саркоплазмата се появи свободен калций.

"Откриването" на тези центрове става с участието на други два белтъка - тропонин и тропомиозин, усукани около актина. Тропонинът e комплекс от три полипептида – T(свързващ тропомиозин), I (инхибиторен) и C (свързващ калций) (фигура 5).

В почиващия мускул тропонини T и I се захващат за актина и са причина тропомиозинът да се разполага така, че да блокира свързващите центрове на актина за главите на миозина.

Когато концентрацията на калций в цитоплазмата се повиши, третият вид тропонин- тропонин C (свързва четири йона калций ) кара тропонин I да се отдели от актина.

Това позволява на тропомиозиновата молекула да се върне към своята "обичайна" позиция и да освободи свързващите центрове на F-актина така, че миозиновите глави да могат да започнат да се "разхождат" по актиновите нишки – тоест, сега вече тънките и дебелите нишки могат да се свързват (фигура 6).

Дебелите нишки представляват усукани помежду си молекули на белтъка миозин. Строежът на миозиновата молекула е добре известен. Тя съдържа две части – леки вериги от меромиозин, които са усукани около тежките вериги от меромозин.

Едната лека верига се нарича есенциална, а другата е регулаторна и служи за свързване на фосфатни йони. Тежките вериги от меромозин завършват с т.нар. миозинови глави. Върху всяка глава има два активни центъра: център за свързване с F-актина (ако актинът е достъпен) и свързващ център за АТФ (фигура 7).

Как се осъществява мускулното съкращение?

Най-популярна е хипотезата за приплъзването на тънките спрямо дебелите нишки, която обяснява това съкращение с изграждането на временни връзки между белтъчните молекули на саркомера и АТФ-зависими конформационни промени в тях (фигура 8).

Когато свързващият център на F-актина се открие, към него се свързва активният център на главата на миозина.

След това свързване на миозиновата глава към актина, вторият свързващ център на миозиновата глава намалява своя афинитет към АДФ и придобива АТФ-азна активност. В това си състояние този център освобождава свързания АДФ, присъединява нова молекула АТФ и веднага я разгражда до АДФ и фосфат.

При това се освобождава химична енергия, равна на енергията на една макроергична връзка в молекулата на АТФ.

Освободената химична енергия се поема от миозиновата глава и я принуждава да извърши промяна в своята конформация - миозиновата глава се огъва на определен ъгъл и с това "придърпва" заловената актинова нишка, след което освободеният при хидролизата на АТФ фосфат кара миозиновата глава отново да заеме перпендикулярно положение спрямо актиновата нишка.

Така миозиновите нишки са принудени да се приплъзнат на стъпка от две актинови субединици спрямо актиновите и да се приближат по-близо до Z-диска. Това предизвиква намаляване на дължината на отделния саркомер (фигура 9).

Свиването на целия мускул е резултат на активността на стотици миозинови глави върху една и съща актинова нишка, умножена по стотиците тънки нишки в саркомера и хилядите саркомери в една мускулна клетка. При това се отделя като вътрешна топлина, която придружава всяко едно съкращение на мускула

Кое провокира мускула да се съкрати?

Обичайно във всички клетки на организма цитоплазмената концентрация на калций се поддържа ниска посредством АТФ-зависими калциеви помпи, които изпомпват калция извън клетката.

В контраст, в мускулните клетки ниската цитоплазмена (саркоплазмена) концентрация на калций се поддържа чрез помпи за активен АТФ-зависим транспорт на Ca(+2) от саркоплазмата към едноплазмената мрежа (саркоплазматичния ретикулум), която се явява депо за калций.

Освен такива помпи, в мембраната на калциевите депа се намират потенциал-зависими белтъчни канали за пасивен транспорт на калций (Ca(+2) каналчета) към саркоплазмата. В състояние на покой калциевите каналчета са затворени и саркоплазмата е свободна от Ca2+ йони, защото Ca(+2)-помпи са ги концентрирали в калциевите депа.

Както вероятно знаете, до всеки мускул достига нерв, който го инервира (управлява). Когато по управляващия нерв до сарколемата достигне импулс, сарколемата променя своя електричен потенциал и се деполяризира.

Това деполяризиране се предава върху калциевите депа и Ca(+2)-каналчетата се отварят - калцият се излива в саркоплазмата чрез пасивен транспорт. За да се получи още една стъпка на съкращение, трябва първо сарколемата отново да се поляризира.

Toгава Ca2+ kaналчетата се затварят, а Ca2+ помпи изпомпват Ca2+ йони от саркоплазмата обратно в депата. При липса на свободен Ca2+ в саркоплазмата, активният център на F-актина се закрива, миозиновата глава се отделя от актиновата нишка и се връща в началното си положение.

Ако в това състояние на покой дойде следващ нервен импулс, той ще предизвика ново съкращение на саркомера със стъпка две актинови субединици по описания по-горе механизъм.

Съкращението на мускула изисква непрекъснато постъпване на нервни импулси по нерва. След всеки импулс мускулът се свива стъпка по стъпка, като една стъпка е от 7.5 нанометра.

Това е така нареченото електромеханично куплиране (нервномеханично свързване), смисълът на което е, че мускулното съкращение се предхожда и предизвиква от електричен стимул - нервен импулс.

Очевидно е, че за ефективната работа на напречнонабраздените мускули те трябва да разполагат с достатъчни количества АТФ и калций.

Механизмите на синтез на АТФ и начините за осигуряване на оптимални нива на калций в организма са обект на други статии в изданието.