Лекция №19 Мышцы. Мышцы Структурная организация и особенности химического состава мышечной ткани. Скелетные, гладкие и сердечные мышцы

• Название: Мышцы Структурная организация и особенности химического состава мышечной ткани. Скелетные, гладкие и сердечные мышцы
• Дата: 27.09.2019
• Размер: 223 Kb.
• Имя файла: Лекция №19 Мышцы.ppt
• Тип: Документы; #87829

Мышцы

Структурная организация и особенности химического состава мышечной ткани.

Скелетные, гладкие и сердечные мышцы

Скелетные и сердечные мышцы при микроскопическом исследовании обнаруживают поперечную исчерченность, в гладких мышцах такая исчерченность отсутствует.
В отличие от поперечно–полосатых мышц гладкие мышцы не содержат белок тропонин.
Ингибитором взаимодействия актина с миозином в гладких мышцах служит р-легкая цепь миозина,
в поперечно-полосатых мышцах тропонин –I.
В гладких мышцах холестерина больше чем в сердечной и скелетной мускулатуре.


Сердечная мышца по своей структуре и свойствам сходна с красными скелетными мышцами, но в них в два раза больше содержится холестерина и фосфолипидов чем скелетных мышцах.
Гликоген в сердечной мышце меньше метаболизируется и уровень его не подвергается большим колебаниям, как это имеет место в скелетной мышце.
Содержание креатина и АТФ в сердечной мышце почти в два раза меньше чем в скелетной. В миокарде в основном идут аэробные процессы.
Основным источником энергии для сердечной мышцы являются жирные кислоты (70% потребляемого сердечной мышцей кислорода используется для окисления жирных кислот), глюкоза, лактат и пируват.

Поперечно-полосатая мышца

Поперечно-полосатая мышца состоит из многоядерных, богатых митохондриями клеток, окруженных электровозбудимой мембранной – сарколеммой.
Отдельная мышечная клетка может иметь длину равной длине мышцы и достигает длины до 12 см. Толщина мышечной клетки равна 10-100 мкм.
При микроскопии в саркоплазме (цитоплазме) мышечной клетки обнаруживается пучок, состоящий из множества параллельно расположенных миофибрилл.
Каждая миофибрилла собрана из множества саркомеров, длина которых от 1500 до 2300 нм., ограниченных друг от друга Z-пластинками, которые сформированы белком -актинином.
Саркомер - это функциональная единица мышцы.


Каждый саркомер построен из белковых нитей (филаментов) двух типов –
толстых и тонких нитей.
Основным белком толстых нитей является миозин
Белком тонких нитей:
актин,
тропонин,
тропомиозин.
Толстые нити имеют два конца противоположной полярности имеющие выросты.
Выросты на толстых нитях образованы головками миозина, из множества молекул которого и собраны толстые филаменты саркомеров.
Поперечная исчерченность мышц, видимая под световым микроскопом – это результат своеобразной организации мышечных клеток и ориентации миофибрилл относительно друг друга.

Во время сокращения мышцы длина толстых и тонких нитей не меняется, но при этом меняется угол наклона головок миозина толстых нитей. Вследствие этого происходит укорочение длины саркомера и, следовательно, длинны мышечной клетки.
Саркоплазматические белки представлены белками группы миогена, глобулина Х, белками стромы и миоглобином.
К миогеновой фракции и глобулина Х относятся белки - ферменты обеспечивающие гликолиз и множество других внутриклеточных процессов.
Миоглобин – это хромопротеин, глобулярный белок, состоящий из одной полипептидной цепи и одной молекулы гема. Мышцы способные к длительному сокращению, обладают способностью резервировать кислород в миоглобине.
Миоглобин неспособен транспортировать кислород, но участвует в запасании кислорода, образуя комплекс с кислородом - оксимиоглобин.
При тяжелой физической работе, когда в мышцах парциальное давление кислорода может снизиться до 5 мм рт.ст. миоглобин легко отдает кислород цитохромоксидазе митохондрий, тем самым обеспечивает сохранение процесса биологического окисления и окислительного фосфорилирования.


Красные мышцы используют энергию, воспроизводимую за счет аэробных процессов, и потому характеризуются большой работоспособностью.
Белки стромы представлены белками соединительно-тканных элементов мышцы, к которым относятся коллаген, эластин, протеогликаны и др.
Особенно много ферментов обеспечивающих анаэробный гликолиз в белых мышцах.
В белых мышцах в отличие от красных мало митохондрий и миоглобина.
Эта группа мышц быстрее переходят из состояния покоя в состояние сокращения.
В качестве источника энергии белые мышцы используют гликоген, запасы которого быстро истощаются и потому быстро наступает утомление этих мышц.


К миофибриллярным белкам относятся
белок толстых нитей- миозин
белки тонких нитей-
актин,
тропомиозин,
тропонин.


Миозин, на его долю приходится 55% мышечных белков.
Молекула миозина представляет собой ассиметричный гексамер с молекулярной массой 460тыс.
Гексамер включает одну пару сплетённых в -спираль тяжелых цепей (мол. масса 200тыс.) и две пары легких цепей (мол. масса 15-27тыс.).
На N концах обеих тяжелых цепей имеется глобулярная (D) «головка», к которым нековалентно присоединены по две пары легких цепей (L).

Миозин

Глобулярные головки в комплексе с легкими цепями обеспечивают миозину свойства фермента АТФ-гидролазы (АТФ-аза) и возможность соединения с молекулой F-актина, контактируя с одной молекулой G –актина.
Отдельные молекулы миозина продольно соединяются друг с другом тяжелыми -спиральными цепями, образуя пучки.
Глобулярные головки выступают на поверхности пучка, выстраиваясь вокруг него по спирали.
В области М-линии пучки стыкуются «хвост в хвост», образуя толстые нити саркомеров.

Тонкие актиновые нити саркомеров образованы белками - актином, тропомиозином и тропонином.

Молекула актина (F-актин) состоит из множества молекул G-актина.
G-актина – это глобулярный белок с молекулярной массой 43 тыс. В клетке в присутствии ионов магния G -актин подвергается не ковалентной полимеризации с образованием нерастворимого двойного спирального филамента, получившего название F-актин. На его долю приходится 25% общей массы белков мышц.
F -актин имеет толщину 6-7нм и через каждые 35.5нм – повторяющиеся структурные элементы.
Актин не обладает каталитической активностью. Концы F -актина присоединяются к Z-пластинке, которая образована белком -актином.

Строение тонких нитей саркомеров

Тропомиозин и тропонин

Тропомиозин и тропонин тонких нитей саркомеров содержатся в поперечно-полосатых мышцах в небольших количествах, но выполняют очень важные функции.
Тропомиозин представляет вытянутую в виде тяжа молекулу, состоящей из двух полипептидных цепей длинной около 40 нм.
Они располагаются вблизи и вдоль желобков спиральной ленты F-актина.
Каждая молекула тропомиозина контактирует с семью молекулами G –актина и контролирует их активность.
В покоящейся мышце тропомиозин присоединен к F - актину около того места, с которым связана глобулярная головка миозина, блокируя их соединение и предотвращая стимулируемый актином гидролиз АТФ.


Тропонин – глобулярный белок, состоит из трех полипептидных цепей (субъединицы Т,-I,-С) с мол. массами от 18 тыс. до 37тыс дальтон.
Т-субъединица (тропонин-Т) прочно связывает тропонин с тропомиозином в участке, расположенном примерно на одной трети расстояния от С до N –конца, со стороны С - конца.
Субъединица I (тропонин I) взаимодействует с актином в отсутствие ионов Са++ и функционирует вместе с остальными субъединицами тропонина, удерживая тропомиозин в таком положении, в котором он ингибирует АТФ-азу миозина.
Третья С-субъединица (тропонин С) – это кальций связывающий белок, первичная и вторичная структура которого, совершенно аналогична кальмодулину и способна связать четыре иона Са++.

Механизм мышечного сокращения и расслабления

Сокращение мышцы включается нервным сигналом – потенциалом действия, возникающего за счет градиента концентрации ионов К+ и Nа+ на мембране нервной клетки, который через нервно-мышечный синапс при посредстве медиатора ацетилхолина трансформируется в потенциал действия сарколеммы и трубочек Т-системы.
Ответвления трубочек окружают каждую миофибриллу и контактируют с цистернами саркоплазматического ретикулума.
Потенциал действия, поступающий по трубочкам, вызывает деполяризацию мембран цистерн саркоплазматического ретикулума.
Происходит высвобождение ионов Са в цитозоль и в миофибриллы, где ионы кальция в поперечно-полосатых мышцах связываются с С-тропонином, а в гладких мышцах с кальмодулином.
Через эти кальций - связывающие белки и осуществляется регуляция процессов мышечного сокращения и расслабления.


В 1954 году две группы исследователей – Х.Хаксли с Дж. Хэнсон и А. Хаксли с Р. Нидергерке, сформулировали теорию объясняющую мышечное сокращение скольжением актиновых нитей вдоль нитей миозина.
Однако, процесс сокращения мышц в действительности более сложен и сводится не просто к скольжению, а к взаимозависимым изменениям конформации мышечных белков

Стадии мышечного сокращения и расслабления

Стадия сокращения:
В исходном состоянии головки миозина нагружаются молекулами АТФ
Свободно вращаясь под большим углам, головки миозина контактируют с F - актином, образуя с осью фибриллы угол около 90о.
Ассоциация головок миозина с актином в присутствии ионов Са++, приводит к активации Са-АТФ-азы, к гидролизу АТФ и освобождению АДФ и неорганического фосфата.
Это меняет угол взаимосвязи головок миозина с актином с 90о до 45о и приводит к продвижению актина на 10-15 нм в направлении центра саркомера, т.е. меняется конформация белков комплекса F-актин-миозин - происходит сокращение.

Стадии расслабления

Ионы Са активно откачиваются в цистерны Т-системы, что приводит к инактивации АТФ-азы головок миозина.
Новые молекулы АТФ связываются с головками миозина в комплексе миозин - F-актин, образуя комплекс миозин-АТФ, который обладает низким сродством к актину. Это приводит к отделению головок миозина от F-актина.
Восстанавливается исходная конформация белков толстых и тонких нитей саркомеров - происходит расслабление.
Единственным лимитирующим фактором мышечного сокращения и расслабления является АТФ, а главным регулятором этих процессов являются ионы Са++, которые накапливаются в цистернах саркоплазматического ретикулума в комплексе со специальным Са-связывающим белком кальсеквестрином.

Актиновая регуляция

В поперечно-полосатой мускулатуре роль ингибитора сокращения выполняет тропониновая система, связанная с тропомиозином и актином тонких нитей саркомеров. I –субъединица тропонина (тропонин I) взаимодействует с актином в отсутствие ионов Са++ и удерживает тропомиозин в таком положении, в котором он ингибирует АТФ-азу миозина.
При увеличении в саркоплазме концентрации ионов кальция до 10-5 моль/л происходит образование комплекса тропонин-С – 4Са++, который реагирует с тропонином-I и тропонином-Т, изменяя их взаимодействие с тропомиозином. Это приводит к изменению конформации тропомиозина и его ингибирующее действие на АТФ-азу головок митоза прекращается.
Происходит ассоциация головок миозина с актином, как следствие активации АТФ-азы и гидролиза АТФ. Это меняет угол взаимосвязи головок миозина с актином с 90о до 45о и приводит к изменению конформации белков комплекса F-актин-миозин - происходит сокращение.


Расслабление мышц происходит,
когда содержание ионов кальция в саркоплазме снижается ниже 10-7 моль/л вследствие его поглощения цистернами саркоплазматического ретикулума.
Комплекс тропонин-С – 4Са++ распадается из-за потери кальция.
Тропонин I взаимодействует с F-актином, удерживает тропомиозин в таком положении, в котором он ингибирует АТФ-азу головок миозина.
Миозиновые головки в присутствии АТФ отделяются от F-актина и приобретают исходную конформацию.
При снижении уровня АТФ в саркоплазме, при нарушении функции АТФ - регенерирующей системы мышц, нарушается функция Са++ насоса:
прекращается возврат ионов Са++ в цистерны саркоплазматического ретикулума,
не происходит АТФ-зависимого отделения миозиновых головок от F -актина.
Мышца не расслабляется, может имеет место судорога.

Миозиновая регуляция гладкой мускулатуры

Гладкая мускулатура не содержат тропонин. Но в легких цепях миозина гладких мышц содержится -легкая цепь, которая предотвращает связывание миозиновых головок с F-актином.
Для того чтобы эта - легкая цепь не препятствовала активации миозиновой АТФ-азы при взаимодействии с F-актином, она должна предварительно подвергнуться фосфорилированию.
В саркоплазме гладких мышц имеется фермент – киназа легких цепей миозина (миозинкиназа), зависимая от кальция.
Активирование этой киназы осуществляется кальмодулином находящимся в комплексе с 4 ионами Са (кальмодулин-Са).
Образование этого комплекса, и, следовательно, сокращение гладкой мышцы, запускается при концентрации ионов кальция 10-5 моль/л.


Расслабление гладких мышц происходит, когда содержание ионов Са в саркоплазме падает ниже 10-7 моль/л. Ионы Са отсоединяются от кальмодулина, который в свою очередь отделяется от миозинкиназы, вызывая ее инактивацию.
Протеинфосфатаза отщепляет от -легкой цепи фосфорную кислоту.
Дефосфорилированная -легкая цепь миозина ингибирует связывание миозиновых головок с F-актином и подавляет активность АТФ-азы.
Миозиновые головки нагружаются АТФ и отделяются от F-актина.
Происходит расслабление гладких мышц.

Кальмодулин и киназа легких цепей миозина

Известно, что киназы могут активироваться 3,5-АМФ.
Киназа легких цепей миозина не является прямым объектом активации со стороны 3,5-АМФ, тем не менее, активируемыми 3,5-АМФ протеинкиназа может фосфорилировать миозинкиназу.
Фосфорилированная миозинкиназа легких цепей миозина гладких мышц обладает значительно меньшим сродством к кальмодулин-Са и поэтому становится менее чувствительна к активации.
Соответственно повышение уровня цАМФ уменьшает сократительную реакцию гладких мышц на увеличение концентрации ионов Са в саркоплазме.


Этот механизм объясняет расслабляющее действие на гладкие мышцы -адренергической стимуляции, адреналином, изадрином, сальбутамолом, фенотеролом и др.
Химические соединения связывающиеся с кальмодулином, предотвращают его взаимодействие с кальций - зависимыми ферментами, также вызывают расслабление гладкой мускулатуры.
К таким относятся соединения фенотиазинового ряда – аминазин, пропазин, левомепромазин и др.

Биохимические изменения при мышечных дистрофиях

При повреждении двигательных нервов имеет место уменьшение мышечной массы (атрофия), увеличение содержания в их структуре соединительной ткани, уменьшение мышечных белков и изменение обмена веществ (дистрофия).
При этом мышца теряет способность к нормальной возбудимости и сократимости.
Подобные изменения в мышцах могут наблюдаться при энцефалитах, рассеянном склерозе, миэлиты, детском церебральном параличе и др..


Дистрофические явления в мышечной ткани наблюдаются и при наследственных нервно-мышечных заболеваниях, при которых имеет место поражение мышечной ткани, периферических нервов и нередко передних рогов спинного мозга.
Наиболее распространенными нервно-мышечными заболеваниями являются прогрессирующие мышечные дистрофии (миопатии), миотонии и периодический семейный паралич.
Все они этиологически связаны с генными мутациями.
Прогрессирующие мышечные дистрофии делятся на две группы – первичные и вторичные.


При первичных прогрессирующих мышечных дистрофиях
вначале заболевания поражается мышечная ткань и лишь впоследствии – нервная система.
Болезнь начинается в детском или юношеском возрасте и проявляется в постепенной гибели мышечных клеток и замещении их соединительной тканью.
Разрушение мышечных клеток происходит вследствие высвобождения катепсинов из лизосом, что связано с наследственно обусловленной дестабилизацией мембран лизосом.


При вторичных дистрофиях вначале поражаются периферические нервы или мотонейроны спинного мозга, а затем мышечная ткань
Дистрофические изменения наблюдаются и в сердечной мышце
при миокардодистрофиях, связанные с энергетической недостаточностью миокарда и вызванные нарушениями функции эндокринных желез (тиреотоксикоз), анемией,
инфекциями (дифтерия, ревматизм), интоксикацией (алкоголь, никотин и др.), нарушениями липидного, белкового и электролитного обмена, голоданием и авитаминозами

Атрофия мышц и креатинурия

Атрофию мышц можно наблюдать и при Е-авитаминозе и связана с повреждением лизосомальных мембран мышечных клеток из-за отсутствия естественного антиоксиданта – токоферола (витамин Е).
При гиподинамии, при иммобилизации мышц, например, гипсовой повязкой, при перерезке сухожилий имеет место усиление катаболизма белков мышц, т.е. имеет место атрофия мышц.
Болезни мышечной ткани, сопровождающиеся атрофией, характеризуются увеличением уровня креатина в крови и появлением его в моче – креатинурия.


Уровень креатина в крови зависит от скорости его синтеза и превращения в креатинин.
При мышечных дистрофиях выделение креатина из организма увеличивается, а креатинина уменьшается. Это связано со снижением скорости образования креатинфосфата в мышцах.
Суточное выведение креатинина с мочой прямо пропорционально массе мышц человека.
Креатинин не реабсорбируется из первичной мочи и поэтому количество выделяемого креатинина отражает величину клубочковой фильтрации.
При болезнях почек с нарушением фильтрации выведение креатинина с мочой уменьшается, а его концентрация в крови увеличивается.