Биохимия мышц 2021. ЛЕЧ.ИНОСТРАННЫЙ ФАКУЛЬТЕТ.. Миофибрилл. Биохимические механизмы мышечного сокращения. Биохимические нарушения при мышечных дистрофиях и денервации мышц
 Скачать 1.87 Mb.
|
|
Биохимия мышц. Важнейшие белки миофибрилл. Биохимические механизмы мышечного сокращения. Биохимические нарушения при мышечных дистрофиях и денервации мышц Доц. Е.В. Зыкова ВолгГМУ, каф.теоретической биохимии с курсом клинической биохимии, 2021 План лекции 1. Функции мышц 2. Классификация мышечных волокон 3. Химический состав мышц 4. Особенности обмена веществ и энергии в мышцах 5. Строение миофибриллы 6. Механизм мышечного сокращения 7. Патология мышечной ткани Мышечная система У многоклеточных организмов генерацию движения за счет энергии АТФ осуществляют высокоспециализированные органы – мышцы. • Мышечная ткань занимает 1 место по объему среди других тканей человека 25% - у новорожденных 40% - у людей среднего возраста 30% - у пожилых В теле человека около 640 мышц Функции мышц 1. Передвижение тела в пространстве 2. поддержание позы 3. обеспечивают работу сердечно- сосудистой, дыхательной, мочеполовой, желудочно- кишечной системы 4. выработка тепла 5. механическая защита внутренних органов 6. депо аминокислот, т.к. содержат много белков 7. депо воды и солей • I. Скелетные волокна 1). фазные они генерируют потенциал действия а. быстрые (белые б. медленные (красные 2). тонические не генерируют полноценный потенциал действия II. Гладкие волокна 1. Тонические. Неспособны развивать быстрые сокращения 2. Фазно-тонические. Способны развивать быстрые сокращения III. Миокард Классификация мышечных волокон Мышечное волокно Функциональной единицей мышечной ткани является мышечное волокно Мышечное волокно поперечнополосатой мышцы- это многоядерная клетка. • По форме напоминает веретено, которое может быть вытянуто на всю длину мышцы. • Снаружи мышечное волокно окружено электровозбудимой мембраной – сарколеммой • Внутри находиться внутриклеточная жидкость - саркоплазма. • Центральная часть саркоплазмы заполнена миофибриллами • На периферии, вдоль сарколеммы - ядра и митохондрии • Двигательная единица это совокупность образований – нейрон и все мышечные волокна обычно 10-1000), которые этот нейрон через свои аксоны иннервирует. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ (%) Вода............................................72—80 Сухой остаток В том числе: Белки...........................................16,5—20,9 Гликоген......................................0,3—3,0 Фосфатиды.................................0,4—1,0 Холестерин.................................0,06—0,2 Креатин + креатинфосфат........0,2—0,55 Креатинин....................................0,003—0,005 АТФ...............................................0,25—0,4 Карнозин......................................0,2—0,3 Карнитин......................................0,02—0,05 Анзерин........................................0,09—0,15 Свободные аминокислоты........0,1—0,7 Молочная кислота......................0,01—0,02 Зола...............................................1,0—1,5 1. Сократительные (миофибриллярные) белки миозин 55% • актин 25% • тропомиозин (во всех мышцах тропонины Т, I и Столько в поперечнополосатых). • α- и β-актинин, десмин, коннектин (титин) и виментин. 2. Саркоплазматические белки глобулины X, миогены, миоглобин, нуклеопротеиды Ферменты) в миокарде АСТ, АЛТ, ЛДГ 1 , 2 , КФК МВ) в скелетной мышце ЛДГ 3 , 4 , КФК ММ. Белки стромы коллаген эластин МЫШЕЧНЫЕ БЕЛКИ Углеводы мышечной ткани Гликоген 0,3-3,0% • ГАГ моносахариды глюкоза, фруктоза Липиды мышечной ткани Фосфолипиды (в миокарде больше) • Холестерин • Небелковые азотистые вещества креатинфосфат и креатин до 60%, • креатинин (мало Много адениновых нуклеотидов АТФ, АДФ и АМФ АТФ 4,43 мкмоль/г, АДФ 0,81 мкмоль/г, АМФ 0,93 мкмоль/г); • Мало нуклеотидов неаденинового ряда (ГТФ, УТФ, ЦТФ и др имидазолсодержащие дипептиды (карнозин и ансерин). • свободные аминокислоты (много глутамина, аланина) и др. Неорганические вещества макро- и микроэлементы соли К, Na, Ca, Mg. ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ Обмен белков и аминокислот 1. Мышцы характеризуются высоким обменом белков и АК. Белки и АК в мышцах активно синтезируются и распадаются. 2. Белки скелетных мышц являются важным источником АК. При голодании и энергодефиците белки мышц разрушаются, а образовавшиеся АК используются в качестве источника энергии. 3. У млекопитающих мышцы являются главным местом катаболизма АК с разветвленной цепью (Валин, Лейцин, Изолейцин. Аминокислоты дезаминируются, а образовавшиеся кетокислоты используются как субстраты ЦТК. Мышцы синтезируют и выделяют много аланина и глутамина. В реакций трансаминирования вступают ПВК (гликолиз, КГ (ЦТК), и аминогруппы других АК. глюкоза глюкоза ПВК аланин Печень Мышца 2АТФ 2НАДН 2 Кровь аланин ПВК 6АТФ АК КК Мочевина 2НАДН 2 АТФ белки аланин глюкоза Печень Мышца Кровь КК Мочевина белки NH 3 NH 3 АМФ ИМФ АТФ Глюкоза Лактат Лактат Глюкоза Аминокислоты Белки 5. При интенсивной работе для нейтрализации лактата мышцы выделяют аммиак. В мышцах низкая активность глу-ДГ, поэтому непрямое дезаминирование идет с участием ИМФ-АМФ цикла. Липидный обмен преобладает катаболизм липидов. • Жирные кислоты, кетоновые тела в аэробных условиях окисляются в мышцах для получения энергии В мышцах синтезируется немного холестерина Углеводный обмен преобладает катаболизм углеводов. • глюкоза окисляется в аэробных или анаэробных условиях для синтеза АТФ. • Из глюкозы в мышцах образуется аланин Глюкоза запасается в мышцах в форме гликогена (до 1%). • Адреналин ив мышцах стимулируют гликогенолиз, а также образование АТФ и мышечное сокращение. Энергетический обмен Энергетический обмен в состоянии покоя очень низкий, при интенсивной физической нагрузке значительно возрастает. • В белых (быстрых) волокнах преобладает анаэробный гликолиз (субстрат глюкоза. • В красных (медленных) мышцах преобладает аэробное окисление жирных кислот, кетоновых тел и глюкозы. • Миокард в норме в качестве субстратов для синтеза АТФ использует жирные кислоты (65 — 70%), глюкозу (15 — 20%) и молочную кислоту (10 — 15%). Белые и красные мышечные волокна (марафон и спринт Мышцы, которые могут длительно находиться в состоянии сокращения, способны резервировать кислород в миоглобине. За счет миоглобина, мышцы окрашены в красный цвет в отличие от белых скелетных мышц Характеристика быстрых и медленных скелетных мышц Показатели Быстрая скелетная мышца Медленная скелетная мышца Цвет Активность миозиновой АТФазы Утилизация энергии Миоглобин Частота сокращений Длительность сокращений Белый Высокая Высокая Нет Высокая Малая Красный Низкая Низкая Есть Низкая Большая • Основной потребитель АТФ - процесс мышечного сокращения. Запасы АТФ быстро истощаются. Источники АТФ) классический путь в реакциях субстратного и окислительного фосфорилирования) при участии миоаденилаткиназы: АДФ + АДФ → АТФ + АМФ 3) креатинфосфатный челнок Окислительное фосфорилирование) АТФ АДФ-АТФ- транслоказа (ААТ) ВНУТРЕННЯЯ МЕМБРАНА МИТОХОНДРИЙ КРЕАТИН КРЕАТИН ФОСФАТ АТФ АДФ САРКОЛЕММА МИОФИБРИЛЛА КРЕАТИН ФОСФАТ АДФ АТФ КРЕАТИН Креатинфосфатный челнок креатинкиназа креатинкиназа матрикс МЕЖМЕМБРАННОЕ ПРОСТРАНСТВО Креатинфосфатный челнок предотвращает быстрое истощение запасов АТФ в мышце за счет: 1) запаса макроэргических связей в креатинфосфате 2) креатинфосфат меньше АТФ, поэтому быстрее чем АТФ доставляет энергию от митохондрий к работающей миофибрилле. Кф-путь возникает в миокарде только после рождения, когда резко возрастает нагрузка на сердце. Миофибрилла МИОФИБРИЛЛА Миофибрилла — это цилиндрическое образование толщиной 1-2 мкм, простирающиеся на всю длину мышечного волокна. • Миофибрилла состоит из одинаковых повторяющихся элементов - саркомеров. Саркомер - функциональная единица миофибриллы, от 1500 до 2300 нм. Строение миофибриллы: 1. Тонкие филаменты 2. Толстые филаменты 3. Z- диски 1. Тонкие филаменты • Тонкие филаменты у гладких мышц образованы актином и тропомиозином, • У поперечнополосатых - актином, тропомиозином и тропонинами I, Т и С. «тонкие» филаменты ( 6 нм) присоединяются к дискам Актин Актин актин - мономерный (глобулярный) белок с массой 43кДа. • актин. При физиологической величине рН ив присутствии магния актин нековалентно полимеризуется с образованием актина -нерастворимого двойного спирального филамента, толщиной в 6—7 нм. • G- и актин не обладают каталитической активностью На поверхности актина через каждые 35,5 нм располагаются минорные белки тропомиозин и тропонины I, Т и С ТРОПОМИОЗИН - регуляторный белок мышц. Есть во всех мышцах • Молекула тропомиозина состоит из двух полипептидных цепей, перекрученных между собой. • Располагается в виде стержня в бороздках актина. • Одна молекула тропомиозина соединена с 7 молекулами актина. Роль блокирование на актине центров связывания головок миозина ТРОПОНИН - регуляторный белок мышц. Состоит из х глобулярных субъединиц) связывает Са 2+ ( кальций-связывающий белок с массой 17кДа, может связывать 4 Са 2+ , строение и свойства аналогичны кальмодулину). 2) ингибирует АТФ-азную активность миозина, 3) обеспечивает связь с тропомиозином. СТРОЕНИЕ ТОНКОГО МИОФИЛАМЕНТА ТОНКОЙ АКТИНОВОЙ НИТИ 2. Толстые филаменты • образованы миозином, размер нм располагаются в центре саркомера, между тонкими филаментами. • На поверхности с промежутками в 14 нм располагаются головки миозина, с помощью которых толстые филаменты взаимодействуют с актином тонких филаментов. Миозин Асимметричный гексамер смол. массой 460кДа, состоит из 2 тяжелых Ни легких (L) цепей. Части Фибриллярная часть двойная α- суперспираль тяжелых цепей (Н, длина 150 нм. Ее свободный конец за счет COOH - групп заряжен «-». Глобулярная часть - 2 глобулярные головки (G), каждая содержит 2 легкие цепи (L) и глобулярную часть 1 тяжелой цепи. Глобулярные головки, за счет -NH 3 + , имеют «+» заряд. У скелетных мышц они обладают АТФ-гидролизующей (АТФ- азной) активностью 3. диски Саркомер ограничен с двух сторон дисками (α- актинин). • К дискам присоединены тонкие филаменты Z- ДИСК ( α-АКТИНИН) Строение саркомера Диск А анизотропная зона темный участок образован толстыми нитями миозина. • Зона Н - центральная область диска А, менее плотная, чем остальная его часть, т к не имеет тонких нитей актина. Размер зоны Н уменьшается при сокращении мышцы Более темная часть А диска образована и толстыми и тонкими нитями. • Полоса М - пересекает центральную область диска А, образована толстыми нитями, в которых миозин не имеет головок. Длина 150 нм. В нее заходят тонкие нити актина. • Диск I (изотропная зона) - светлый участок -образован тонкими нитями актина. Размер диска I уменьшается при сокращении мышцы Диск I делит пополам очень плотная и узкая линия Z, которая образована дисками α-актинина. • Вследствие движения уменьшается длина каждого саркомера (укорачиваются Н-зона и диски) и всей мышцы в целом. • При этом длина филаментов не изменяется. • В скелетной мышечной ткани саркомеры миофибрилл располагаются параллельно. • За счет этого на срезах скелетные мышцы выглядят поперечнополосаты ми 1. Миозиновая головка может спонтанно гидролизовать АТФ до АДФ и Фн, которые при этом остаются в составе головки. Миозиновая головка, содержащая АТФ или АДФ и Фн, свободно вращается под большими углами. Мышечное сокращение АТФ АДФ При достижении нужного положения миозиновая головка с АТФ или АДФ и Фн может связываться с F- актином, образуя актин- миозиновый комплекс, в котором головка миозина располагается коси фибриллы под углом 90°. Актин значительно ускоряется АТФ-азную активность миозина, в результате весь АТФ гидролизует до АДФ и Фн. АДФ АДФ У АДФ и Фн низкое сродство к актин- миозиновому комплексу, поэтому они от него отделяются. При этом головка миозина изменяет свой угол коси фибриллы сна примерно 45°, продвигая актин (на 10—15 нм) в направлении центра саркомера. АДФ АДФ • Новая молекула АТФ присоединяется к актин- миозиновому комплексу. • Комплекс актин- миозин-АТФ обладает низким сродством к актину, поэтому Механизм мышечного сокращения Регуляция сокращения и расслабления мышц Любое мышечное сокращение опосредуется Са 2+ • Кальциевые насосы постоянно перекачивают Са 2+ из саркоплазмы в саркоплазматический ретикулюм (у скелетных мышц) или межклеточный матрикс (миокард) (при участии Са- связывающего белка - кальсеквестрина). • В результате в саркоплазме покоящейся мышцы концентрация Са 2+ =10 -7 -10 -8 моль/л. Са-регуляция • При действии ацетилхолина на ацетилхолиновые рецепторы происходит возникновение потенциала действия. • Он через Т-систему достигает кальциевых каналов саркоплазматического ретикулума ( рианодиновые рецепторы Кальциевые каналы открываются, выпуская Са 2+ из саркоплазматического ретикулума в саркоплазму, его концентрация в ней возрастает до 10 -5 моль/л. Ca 2+ Ca 2+ Актиновая регуляция Характерна для поперечнополосатых мышц Мышечное сокращение ингибирует тропомиозиновая система на 2 стадии сокращения п мешает присоединение миозиновой головки к актину изменяет конформацию актина или перемещает тропомиозин в то положение, в котором он блокирует сайты связывания миозиновых головок на актине. • Поступающий в саркоплазму Са 2+ присоединяется к тропонину ТnС. • Комплекс ТnС•Са 2+ реагирует си ТnТ, влияя на их взаимодействие с тропомиозином. • Тропомиозин при этом либо отсоединяется, либо изменяет конформацию актина и появляется возможность присоединения к нему миозиновой головки тяжелой цепи. • Начинается сократительный цикл Миозиновая регуляция Характерна для гладких мышц нет тропониновой системы, • легкая цепь (р-цепь) миозина подавляет его АТФ-азную активность и препятствует присоединению миозина к F- актину В саркоплазме присутствует киназа легких цепей миозина, зависимая от Са 2+ . При повышении в саркоплазме Са 2+ , он присоединяется к кальмодулину. Комплекс кальмодулин- 4Са 2+ активирует киназу легких цепей миозина Активная киназа легких цепей миозина фосфорилирует легкую цепь р, которая перестает ингибировать АТФ-азную активность миозина и препятствовать взаимодействию миозина с актином. • В результате начинается сократительный цикл Расслабление гладких мышц происходит, когда 1) содержание ионов Са 2+ в саркоплазме падает ниже 10-7 моль/л 2) Са 2+ отсоединяется от кальмодулина, который отделяется от киназы легкой цепи миозина, вызывая ее инактивацию) нового фосфорилирования легкой цепи р не происходит, и протеинфосфатаза отщепляет от легкой цепи ранее присоединившиеся к ней фосфаты 4) дефосфорилированная легкая цепь р миозина ингибирует связывание миозиновых головок с актином и подавляет активность АТФ-азы 5) миозиновые головки в присутствии Ф отделяются от F- актина, а повторное их связывание произойти не может из-за присутствия в системе дефосфорилированной легкой цепи р. Биохимические показатели крови и мочи, отражающие функциональное состояние мышечной ткани Аминотрансферазы -диагностика патологии печении миокарда. При инфаркте миокарда активность АСТ повышена. • Лактатдегидрогеназа- при инфаркте миокарда в плазме крови повышена активность ЛДГ1, ЛДГ2. • Креатинкиназа -КФК-ММ повышается в крови при патологии скелетных мышц, КФК-МВ – при инфаркте миокарда Альдолаза - активность увеличивается при глубоких дистрофических процессах в мышечной системе. Гиперальдолаземия -у больных с инфарктом миокарда • Тропонин Т -маркер инфаркта миокарда вострой и подострой фазе. • Миоглобин -маркер деструктивных изменений в мышечной системе С-реактивный белок (СРБ)- увеличивается при инфаркте миокарда, злокачественных опухолях, нефрите, отдельных формах коллагенозов. • Креатин -креатинурия при миопатии или прогрессирующей мышечной дистрофии. Миопатии (греч. mys, myos мышца + pathos страдание, болезнь) - нервно-мышечные заболевания, характеризующиеся развитием первичного дистрофического или вторичного (денервационного) атрофического процесса в скелетной мускулатуре. Признаки • мышечная слабость двигательные нарушения снижение сухожильных рефлексов • деформация костей и суставов Миопатии Прогрессирующие мышечные дистрофии: Невральные амиотрофии: 1) Поражение: А) сегментоядерных мотонейронов спинного мозга) Нарушение обмена веществ, расстройства микроциркуляции 2) Дистрофия мышечных волокон Б) периферических нервных волокон) Замещение соединительной и жировой тканью) Нарушение иннервации мышц БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МЫШЦАХ ПРИ ПАТОЛОГИИ снижение содержания миофибриллярных белков возрастание концентрации белков стромы и некоторых саркоплазматических белков ( миоальбумина) • снижение уровня АТФ и креатинфосфата • снижение АТФазной активности контрактильных белков (миозина уменьшение количества имидазолсодержащих дипептидов • снижается уровень фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина • повышается концентрация сфингомиелина и лизофосфатидилхолина • нарушение метаболизма креатина и его усиленное выделение с мочой (креатинурия). • креатинурия является результатом нарушения в скелетной мускулатуре процессов фиксации (удержания) креатина и его фосфорилирования. • если нарушен процесс синтеза креатинфосфата, тоне образуется и креатинин - его содержание в моче резко снижается. • в результате креатинурии и нарушения синтеза креатинина резко повышается креатиновый показатель (креатин/креатинин) мочи Изменение активности ферментов в мышцах • уменьшается активность ферментов, локализованных в саркоплазме • изменяется активность ферментов, связанных с митохондриями возрастает активность лизосомальных ферментов снижается содержание цАМФ в мышечной ткани повышается активность фосфодиэстеразы • нарушается способность аденилатциклазы активироваться под влиянием адреналина и фторида натрия Спасибо за внимание |