» »

Механизм сопряжения возбуждения и сокращения в поперечно-полосатых мышечных волокнах (электромеханическое сокращение). Строение скелетных мышц

Роль Са 2+ - ионов.

Обычно мышца возбуждается при поступлении нервных импульсов от аксонов мотонейронов в пресинаптическую часть нервного волокна. Через 1-2 мс в мышечном волокне со скоростью примерно 2м/сек булл распространяться потенцией действия, а через 5-10 мс возникает сокращение этого волокна.

Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине мышечной клетки называемся электромеханическим сопряжением. Оно происходит в несколько этапов, с участием белков тропонииа и тропомиозина, а также ионов Са 2+ и состоит из нескольких этапов:

1. Распространение возбуждения вглубь волокна. В этом процессе важную роль играют Nа + - каналы поперечных трубочек (Т - трубки). С их помощью возбуждение быстро распространяется но мембране саркоплазматического ретикулума - систему продольных трубочек (т.н. «триады»), в которых депонирован Са 2+ . В мембране триад располагаются потенциал управляемые Са 2+ - каналы, которые открываются при распространении деполяризации, называют потенциалом действия.

2. Са 2+ - ионы поступают к миофибриллам. В состоянии покоя между поперечными мостиками миозина и актиновыми нитями находится длинный белок – тропомиозин. На актиновых же нитях через каждые 40 нм расположен белок сферической формы - тропонин. При поступлении ионов Са 2+ тропонин приобретает округлую форму и «заталкивает» тропонин в желобок между актииовыми нитями. Открываются участки для прикрепления поперечных миозиновых мостиков к нитям актина. При помощиАТФ происходит процесс «гребка».

3. После окончания «гребка» с помощью кальциевого насоса ноны Са 2+ удаляются в саркоплазматический ретикулум. При снижении концентрации Са 2+ подавляется активность АТФ-азы миозина и количество АТФ в миофибриллах увеличивается.

4. АТФ: даёт энергию для разъединения нитей актина и миозина после «гребка» - мышца расслабляется.

Недостатком АТФ объясняется трудное окоченение – нити актина и миозина не разъединены.

Таким образом, ведунью роль в электромеханическом сопряжении играют ионы Са 2+ .

3.Нейромоторные (двигательные) единицы, их виды.

Нейромоторная единица - это совокупность одного мотонейрона, аксона мотонейрона и его разветвлений, а также мышечных волокон, которые иннервируют данный аксон (рис. 15). В зависимости от количества иннервируемых волокон нейромоторные единицы делятся на две группы:

1. Малые нейронные единицы - один мотонейрон иннервирует несколько мышечных волокон. Иннервируется мышцы, требующие тонких и точных движений (мышцы глаза, гортани, пальцев рук).

2. Большие нейромоторные единицы - один мотонейрон иннервирует несколько сотен мышечных волокон (мышцы спины,голени).

Рис.15 . Строение двигательной единицы.

В зависимости от характера сокращения нейромоторные единицы делятся на три группы.

Подробности

Особенностью электромеханического сопряжения в сердечной мышце является то, что при возбуждении миокарда ионы кальция поступают в саркоплазму не только из цистерн саркоплазматического ретикулума, но также из Т-трубоче к. Без этого дополнительного источника ионов кальция сокращение сердечной мышцы было бы недостаточно сильным. Дело в том, что в отличие от скелетной мышцы саркоплазматический ретикулум в кардиомиоцитах развит слабее .

Что касается системы Т-трубочек, то они являются мощным депо кальция . Их диаметр в 5 раз, а объем жидкости в них в 25 раз больше, чем в волокнах скелетных мышц. Кроме того, в Т-трубочках имеется большое количество мукополисахаридов , несущих на поверхности отрицательный заряд. Связываясь с ионами кальция, они создают значительный запас этих ионов, способных немедленно диффундировать в саркоплазму при возбуждении.

Сила сокращения кардиомиоцитов зависит от внеклеточного кальция, а скелетных мышц - нет.

В отличие от скелетных мышц сила сокращения миокарда в значительной степени зависит от концентрации кальция во внеклеточной жидкости . Дело в том, что хорошо развитая система Т-трубочек, открываясь в окружающее внеклеточное пространство, заполнена внеклеточной (интерстициальной) жидкостью с высоким содержанием кальция. Таким образом, внеклеточная жидкость проникает глубоко внутрь волокон по системе Т-трубочек и служит необходимым источником ионов кальция для развития мышечного сокращения.

Сила сокращения скелетных мышц практически не зависит от изменений концентрации кальция во внеклеточной жидкости . Сокращение скелетных мышц полностью обеспечивается ионами кальция, поступающими в саркоплазму из цистерн саркоплазматического ретикулума, т.е. из внутриклеточных источников.

В конце фазы плато потенциала действия вход ионов кальция в кардиомиоцит прекращается. Из саркоплазмы ионы кальция быстро удаляются как обратно в саркоплазматический ретикулум, так и во внеклеточную жидкость Т-трубочек. В результате цикл сокращения в миокарде завершается вплоть до поступления нового потенциала действия.

Длительность сокращения скелетных и сердечных мышц.

Сокращение сердечной мышцы начинается через несколько миллисекунд после начала потенциала действия и заканчивается через несколько миллисекунд после завершения потенциала действия. Таким образом, длительность сокращения миокарда зависит от длительности потенциала действия , включая фазу плато, и составляет 0,2 сек в миокарде предсердий и 0,3 сек в миокарде желудочков.

Рианодиновый рецептор (RyR).

Рианодиновый рецептор (RyR) в мышечных клетках выполняет важнейшую функцию сопряжения потенциала действия с мышечным сокращением . В скелетных мышцах рианодиновые рецепторы активируются посредством специализированного механизма прямого электромеханического сопряжения , а сокращение сердечной мышцы запускается по механизму Са2+-индуцированного выброса Са2+ .

Обнаружено три изоформы рианодинового рецептора: RyR1 , RyR2 , RyR3 , кодируемые тремя разными генами. RyR имеют несколько мест регуляции, которая осуществляется Са2+ , АТР, кальмодулином (КМ) , иммунофилином и кальцинеурином. Рецептор фосфорилируется CaKMPK II (CaKM-зависимая протеинкиназа II) и дефосфорилируется кальцинеурином. В скелетных мышцах RyR1 расположен на цистернах СР примыкающих к цитоплазматической мембране и его длинный цитоплазматический "хвост" (так называемый "foot"-регион, или "ножка") соприкасается с дигидроперидиновым рецептором (DHPR) на плазмалемме . Однако, непосредственное функциональное взаимодействия между RyR и DHPR на молекулярном уровне еще не показано. Обсуждается вопрос об участии третьего белка в образовании контакта между RyR и DHPR.

Согласно разным структурным моделям С-конец RyR содержит от до 10 (12) трансмембранных доменов, формирующих мембранную пору. Активность RyR модулируется растительным алкалоидом рианодином из коры Ryania speciosa, что и определило его название. На каналы изолированные из мышц позвоночных и ракообразных рианодин в концентрациях от нМ до мкМ оказывает активирующее влияние, тогда как в концентрациях выше 100 мкМ он вызывает полное закрывание каналов. Было постулировано, что рианодин связывается с каналом в открытом состоянии. Физиологическим активатором рианодинового рецептора, в частности его сердечной изоформы и рианодин-чувствительного Ca2+- канала яйцеклеток морских ежей является циклическая АДР-рибоза (сADPR) - наиболее мощный из известных Са2+-высвобождающих агентов. Полумаксимальное высвобождение Са2+ в гомогенатах яйцеклеток морских ежей наблюдается при наномолярных концентрациях сADPR, что на порядок ниже, чем для IP3. Крутая зависимость активности RR от концентрации Са2+ (см рис. 6.8) позволяет говорить о механизме выброса Са2+ в присутствии cADPR как о Са2+-индуцированном выходе Са2+.

CaКM-зависимая протеинкиназа фосфорилирует все три изоформы рецептора, что приводит к его активации . Показано, что PKA и GMP-зависимая протеинкиназа также способны фосфорилировать этот же сайт. Фосфорилирование этого сайта cAMP-зависимой протеинкиназой, в частности при стимуляции b-адренорецептора, активирует сердечную изоформу RyR.
Генерация Са2+-сигнала с участием cADPR, в настоящее время показана для ряда тканей и клеток, для млекопитающих и растений. У млекопитающих активация секреции везикул ацинарными клетками поджелудочной железы и секреции инсулина b-клетками весьма чувствительны к подъему Са2+, вызванному именно этим циклическим нуклеотидом.

Краткое резюме по рианодиновым рецепторам:

Рианодиновые рецепторы(RyR) представляют собой особый тип хемоактивируемых Са2+каналов, имеющихся в мембране СР. Для млекопитающих известны 3 изоформы:RyR1,RyR2,RyR3. Нокаут гена:RyR1иRyR2–смерть в период эмбрионал разв-я.RyR3–жизнеспос-ые живот; значит-ое сниж-е CICR .Для скел м-ц:бол-во RyR1 спарены с DHPR. Более значит-ым оказыв мех-м DICR.Для сердеч м-цы:тока один из 5-10 RyR2 спарен с DHPR. Большее знач играет мех-зм CICR. Работы Фабиато: Суть: Налич отриц-ой обр-ой св, представлен Ca2+-зависимой инактив-ей RyR. Мех-м: Активацион сайт хар-ся выс акт-ью и низк сродством. Инактив-ый сайт хар-тся низкой акт-ью и выс сродством. Повыш-е конц-ции Ca2+ прив-ит к повыш-ю сродства к агонистам у RyR. Опыты с трипсином подтверд сущест-ие как полож-ой так и отриц-ой регул. Мех-мы взаимод-я: Прямое,с участками внутрен доменов RyR.Ч/з белки-посредники. Действие на наруж участки RyR. В сост RyR входит от 80 до 100 остат цистеина, мн из кот м.б.подвергнуты модиф-ции. Дей-е ок-ей: Подав-е функц-ой акт-ти. Сниж-е способ-ти к регул другими факторами. Модификация с пом NO:В мал конц-ях–повыш актив-ть RyR. В выс-их–понижает акт-ть RyR.

При активации гладкомышечной клетки ионы кальция могут входить в через дигидропиридин-чувствительные, потенциал-зависимые кальциевые каналы L- типа, которые располагаются в кавеолах – инвагинациях плазматической мембраны, контактирующих с саркоплазматическим ретикулумом. Кальциевые потенциал-зависимые каналы L- типа также активируются в ответ на растяжение мембраны, и результатом является деполяризация мембраны. Концентрация Са 2+ во внеклеточной жидкости приблизительно в 10 000 раз больше, чем в саркоплазме. Поэтому ионы Са 2+ довольно быстро входят в клетку через Са 2+ каналы. Небольшие размеры гладкомышечной клетки создают благоприятные условия для быстрой диффузии ионов Са 2+ к внутриклеточным участкам связывания. В дальнейшем ионы Са 2+ инициируют выход Са 2+ из депо – саркоплазматического ретикулума и активацию процесса сокращения гладкой мышцы. Для некоторых гладкомышечных клеток, например, составляющих мышечную стенку артериол, вход ионов Са 2+ через потенциал-зависимые Са 2+ -каналы определяет уровень внутриклеточной концентрации ионов Са 2+ . Для других типов гладких мышц этот путь повышения концентрации ионов Са 2+ в саркоплазме не существенен. Потенциал действия может также быть вызван активацией быстрых потенцал-зависимых Na + -каналов, например vas deferens мыши .

Са 2+ -вызванное освобождение Са 2+ из саркоплазматического ретикулума играет основную роль в электромеханическом сопряжении и в сердечной мышце, где наблюдается большое количество L–типа Са 2+ каналов, тесно прилегающих к Са 2+ каналам саркоплазматического ретикулума. Ионы Са 2+ из саркоплазматического ретикулума выходят через ионные каналы, которые активируются рианодиновыми рецепторами . Впервые рианодиновые рецепторы были обнаружены в скелетной мышце и название свое получили от названия антагониста, алкалоида растительного происхождения, рианодина. Причем, в низких концентрациях рианодин способен активировать Са 2+ канал рианодинового рецептора, а в высоких – вызывает его блокаду .

В гладкой мышце взаимоотношения между плазматической мембраной и саркоплазматическим ретикулумом не настолько четко организованы, как в скелетной и в сердечной мышце. Однако в гладкой мышце имеются электронно-плотные участки (мостики), размером около 20 нм. В этих участках ко-локализованы дигидропиридиновые рецепторы плазматической мембраны и рианодиновые рецепторы саркоплазматического ретикулума. Были идентифицированы и клонированы три различных типа рианодиновых рецепторов: тип RyR1 обнаружен в скелетных мышцах, тип RyR2 – в мышцах сердца. Считается, что в гладкой мышце присутствует RyR3 изоформа рианодиновых рецепторов . Рецептор к рианодину представляет из себя тетрамерный комплекс, состоящий из мономеров (трансмембранных полипептидов) с молекулярной массой 500 кДа. Рианодиновые рецепторы гладких мышц активируются микромолярной внутриклеточной концентрацией ионов Са 2+ и кофеином. Ингибируются рианодиновые рецепторы ионами Mg 2+ и рутением красным. При взаимодействии с ионами Са 2+ комплекс рианодинового рецептора образует кальций-активируемый Са 2+ канал, через который ионы Са 2+ выходят из саркоплазматического ретикулума в саркоплазму. Проводимость ионного канала рианодинового рецептора для ионов Са 2+ в гладкомышечной клетке сопоставима с проводимостью ионного канала рианодинового рецептора в скелетной и сердечной мышце. Однако, плотность рианодиновых рецепторов в гладкой мышце значительно ниже плотности в других мышечных тканях .



Выход ионов Са 2+ из саркоплазматического ретикулума в саркоплазму носит локальный характер. Это местное и довольно значительное повышение концентрации ионов Са 2+ называется Са 2+ -спарк. Вход ионов Са 2+ через Са 2+ -каналы плазматической мембраны и Са 2+ -спарки повышают общую «глобальную» внутриклеточную концентрацию ионов Са 2+ , что инициирует процесс сокращения гладкой мышцы. Это – электромеханический путь сопряжения процессов возбуждения и сокращения .

Электромеханическое сопряжение - это цикл последовательных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия ПД на сарколемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом мышцы.

Основная особенность электронных учебных пособий состоит в сочетании необходимого и специально подобранного теоретического материала, дополняющего печатные издания с большим числом разнообразных, тщательно проработанных тестов.

Многофункциональное электронное учебное пособие предназначено для самостоятельного освоения учебного курса, получения навыков практического применения знаний, для автоматизации и интеллектуализации прикладных задач. Ориентация системы тестирования на личностные качества обучаемых позволяет определить индивидуальные особенности обучающегося и, в соответствии с этим, рекомендовать методику обучения, которая позволит оптимизировать процесс получения знаний.

Нарушение последовательности процессов сопряжения может приводить к патологиям и даже к летальному исходу. Основные этапы этого процесса можно проследить по схеме рисунок 11.

Рисунок 11 Схема электромеханического сопряжения в кардиомиоците (М - клеточная мембрана-сарколемма, СР - саркоплазматический ретикулум, МФ - миофибрилла, Z - z-диски, Т - Т-система поперечных трубочек); 1 - поступления Na+ и 2 - поступления Са2+ в клетку при возбуждении мембраны, 3 - "кальциевый залп", 4 - активный транспорт Са2+ в СР, 5 - выход из клетки К+, вызывающий реполяризацию мембраны, 6 -- активный транспорт Са2+ из клетки

Процесс сокращения кардиомиоцита происходит следующим образом (номера пунктов в тексте соответствуют номерам процессов в схеме электромеханического сопряжения на рисунок 11):

  • 1 - при подаче на клетку стимулирующего импульса открываются быстрые (время активации 2 мс) натриевые каналы, ионы Na+ входят в клетку, вызывая деполяризацию мембраны;
  • 2 - в результате деполяризация плазматической мембраны в ней и в Т-трубочках открываются потенциал-зависимые медленные кальциевые каналы (время жизни 200 мс), и ионы Са2+ поступают из внеклеточной среды, где их концентрация 2 * 10-3 моль / л, внутрь клетки (внутриклеточная концентрация Са2+ 10-7 моль /л);
  • 3 - кальций, поступающий в клетку, активирует мембрану СР, являющегося внутриклеточным депо ионов Са2+ (в СР их концентрация достигает = 10"3 моль/л), и высвобождает кальций из пузырьков СР, в результате чего возникает так называемый «кальциевый залп». Ионы Са2+ из СР поступают на актин-миозиновый комплекс МФ, открывают активные центры актиновых цепей, вызывая замыкание мостиков и дальнейшее развитие силы и укорочения саркомера;
  • 4 - по окончании процесса сокращения миофибрилл ионы Са2+ с помощью кальциевых насосов, находящихся в мембране СР, активно заканчиваются внутрь саркоплазматического ретикулума;
  • 5 - процесс электромеханического сопряжения заканчивается тем, что К+ пассивно выходит из клетки, вызывая реполяризацию мембраны;
  • 6 - ионы Са2+ активно выводятся во внеклеточную среду с помощью кальциевых насосов сарколеммы.

Таким образом, в кардиомиоците электромеханическое сопряжение идет в две ступени: вначале небольшой входящий поток кальция активирует мембраны СР, способствуя большему выбросу кальция из внутриклеточного депо, а затем в результате этого выброса происходит сокращение саркомера. Описанный выше двухступенчатый процесс сопряжения доказан экспериментально. Опыты показали, что: а) отсутствие потока кальция извне клетки jCa прекращает сокращение саркомеров, б) в условиях постоянства количества кальция, высвобождаемого из СР, изменение амплитуды потока кальция приводит к хорошо коррелирующему изменению силы сокращения.

Следует отметить, что не во всех мышечных клетках организма процесс сопряжения происходит, как в кардиомиоците. Так, в скелетных мышцах теплокровных потенциал действия короткий (2-3 мс) и медленный поток ионов кальция в них отсутствует. В этих клетках сильно развита Т-система поперечных трубочек, подходящих непосредственно к саркомерам близко к z-дискам (см. рисунок 11). Изменения мембранного потенциала во время деполяризации через Т-систему, вызывая залповое высвобождение ионов Са2+ и дальнейшую активацию сокращения (3, 4, 5).

Временной ход описанных процессов показан на рисунок 12.

Общим для любых мышечных клеток является процесс освобождения ионов Са2+ и внутриклеточных депо - саркоплазматического ретикулума и дальнейшая активация сокращения. Ход кальциевого выброса из СР экспериментально наблюдается с помощью люминесцирующего в присунокутствии ионов Са2+ белка экворина, который был выделен из светящихся медуз. Задержка начала развития сокращения в скелетных мышцах составляет 20 мс, а в сердечной - несколько больше (до 100 мс).

Рисунок 12 Временное соотношение между потенциалом действия кардиомиоцита (а) и одиночным сокращением (б) в этих клетках. Ордината слева - мембранный потенциал, справа - сила. - потенциал покоя

Электромеханическое сопряжение - это цикл последователь­ных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия ПД на сарколемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом мышцы.

Нарушение последовательности процессов сопряжения может приводить к патологиям и даже к летальному исходу. Основные этапы этого процесса можно проследить по рис. 11.

Процесс сокращения кардиомиоцита происходит следующим образом:

1- при подаче на клетку стимулирующего импульса открываются быстрые (время активации 2 мс) натриевые каналы, ионы входят в клетку, вызывая деполяризацию мембраны.

2- в результате деполяризация плазматической мембраны в ней и в Т –трубочках открываются потенциал- зависимые кальциевые каналы (время жизни 200 мс), и ионы поступают из внеклеточной среды, где их концентрация = , внутрь клетки (внутриклеточная концентрация );

3- кальций, поступающий в клетку, активирует мембрану СР, являющегося внутриклеточным депо ионов (в СР их концентрация достигает ), и высвобождает кальций из пузырьков СР, в результате чего возникает так называемый «кальцевый залп». Ионы из СР поступают на актин-миозиновый комплекс МФ, открывают активные центры актиновых цепей, вызывая замыкание мостиков и дальнейшее развитие силы и укорочения саркомера;

4- по окончании процесса сокращения миофибрилл ионы с помощью кальциевых насосов, находящихся в мембране СР, активно закачиваются внутрь саркоплазматического ретикулума;

5 – процесс электромеханического сопряжения заканчивается тем, что К пассивно выходит из клетки, вызывая деполяризацию мембраны:

6 – ионы активно выводятся во внеклеточную среду с помощью кальциевых насосов сарколеммы;

Таким образом, в кардиомиоците электромеханическое сопряжение идет в две ступени: в начале небольшой входящий поток кальция активирует мембраны СР, способствуя большому выбросу кальция из внутриклеточного депо, а затем в результате этого выброса происходит сокращение саркомера. Описанный двухступенчатый процесс сопряжения доказан экспериментально. Опыты показали, что: а) отсутствие потока кальция извне клетки прекращает сокращение саркомеров, б) в условиях постоянства количества кальция, высвобождаемого из СР, изменение амплитуды потока кальция приводит к хорошо коррелирующему изменению силы сокращения. Поток ионов внутрь клетки выполняет таким образом две функции: формирует длительное (200 мс) плато потенциала действия кардиомиоцита и участвует в процессе электромеханического сопряжения.



Следует отметить, что не во всех мышечных клетках организма процесс сопряжения происходит, как в кардиомиоците. Так, в скелетных мышцах теплокровных потенциал действия короткий (2-3 мс) и медленный поток ионов кальция в них отсутствует. В этих клетках сильно развита Т- система поперечных трубочек, подходящих непосредственно к саркомерам, близко к z – дискам (рис. 11). Изменения мембранного потенциала во время деполяризации через Т – систему передается в таких клетках непосредственно на мембрану СР, вызывая залповое высвобождение ионов и дальнейшую активацию сокращения (3,4,5). Временной ход этих процессов показан на рис.12.

Рис. 12. Временное соотношение между потенциалом действия кардиомиоцита (а) и одиночным сокращением (б) в этих клетках. Ордината слева – мембранный потенциал, справа – сила, - потенциал покоя.

Общим для любых мышечных клеток является процесс освобождения ионов и внутриклеточных депо саркоплазматического ретикулума и дальнейшая активация сокращения. Ход кальциевого выброса из СР экспериментально наблюдается с помощью люминесцирующего в присутствии ионов белка экворина, который был выведен из светящихся медуз.

Задержка начала развития сокращения в скелетных мышцах составляет 20 мс, а в сердечной – несколько больше (до 100 мс)

Электромиография - метод электрофизиологической диагностики поражений нервно-мышечной системы, состоящий в регистрации электрической активности (биопотенциалов) скелетных мышц.

Различают спонтанную электромиограмму, отражающую состояние мышц в покое или при мышечном напряжении (произвольном или синергическом), а также вызванную, обусловленную электрической стимуляцией мышцы или нерва.