Общая характетистика и классификация мышечной ткани

ТАШКЕНТСКАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА БИООРГАНИЧЕСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ
ЛЕЧЕБНОГО И САНИТАРНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОГО
ФАКУЛЬТЕТОВ
ЛЕКЦИЯ
БИОХИМИЯ МЫШЦ
для студентов 2 курса лечебного и санитарно-профилактического
факультетов
Рассмотрено и одобрено
на учебно-методическом заседание
кафедры от 28 августа 2006 года
протокол №1
Составитель, проф. Ф.Х. Иноятова
Ташкент – 2006
1
1.
2.
3.
4.
5.
БИОХИМИЯ МЫШЦ
Основные белки миофибрил и их молекулярное строение.
Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления.
Роль градиента одновалентных ионов и ионов Са в регуляции
мышечного сокращения.
Особенности обмена веществ в сердечной мышце.
Биохимические изменения в мышцах при патологии.
Общая характетистика и классификация мышечной ткани.
Интерес биохимии к процессам происходящим в сокращающихся
мышцах основан не только на выяснении механизмов мышечных болезней,
но и что может быть даже более важным – это раскрытие механизма
превращения электрической энергии в механическую, минуя сложные
механизмы тяг и передач.
Для того, чтобы понять механизм и биохимические процессы
происходящие в сокращающихся мышцах, необходимо заглянуть в строение
мышечного волокна. Мышечная ткань составляет 40–42% от массы тела.
Основная динамическая функция мышц обеспечить подвижность путем
сокрашения и последующего расслабления.
Обычно принято различать три типа мышечной ткани: скелетную
мускулатуру, сердечную мышцу и гладкую мускулатуру. Существует
также деление на гладкие и поперечнополосатые мышцы. К поперечнополосатым мышцам, помимо скелетных, относятся также мышцы языка и
верхней трети пищевода, внешние мышцы глазного яблока и некоторые
другие. В морфологическом отношении миокард относятся к
поперечнополосатой мускулатуре, но по ряду других признаков он занимает
промежуточное положение между гладкими и поперечно-полосатыми
мышцами.
Рис. Строение миофибрилл.
Морфологическая организация мышечной ткани.
Скелетные поперечно-полосатые мышцы позвоночных состоят из
паралельных пусков мышечных волокон. Каждое волокно представляет
собой одну многоядерную клетку. Большую часть объема мышечных клеток
2
занимают миофибриллы толщиной 1-2мкм, простирающиеся на всю длину
мышечного волокна. Поперечная исчерченность их связана с чередованием
различных по толщине молекул.
Сократительные элементы, саркомеры, состоят из 2 типов паралельных
нитей: толстых филаментов миозина и тонких филаментов Ф-актина.
Миозиновые и актиновые нити – главный компонент всех сократительных
систем в организме. Электронно-микроскопическое изучение показало
строго упорядоченное расположение миозиновых и актиновых нитей в
миофибрилле. Функциональной единицей миофибриллы является саркомер –
участок миофибриллы между двумя Z-пластинками. Саркомер включает в
себя пучок миозиновых нитей, серединой сцепленных по так называемой Мпластине, и проходящих между ними волокон актиновых нитей, которые в
свою очередь прикреплены к Z-пластинам. Темные области А-диска
содержат как тонкие, так и толстые нити; центральная Н-зона – только нити
миозина. Z-линии соответствуют тем участкам, где тонкие тини крепятся к Zдискам. Саркомером называется продольная единица, органиченная двумя Zлиниями.
Строение миозиновых нитей
В количественном отношении наиболее важным белком миофибрилл
является миозин (приблизительно 65% мышечного белка). Миозиновые нити
образованы белком миозином, молекула которого содержит две идентичные
тяжелые полипептидные цепи с молекулярной массой около 200 000 и
четыре легкие цепи (около 20 000), связанных нековалентно. Каждая тяжелая
цепь имеет форму длинного стержня длиной 150нм с глобулярной головкой
на N-конце и напоминает клюшку для гольфа. На большей части своей
длины имеет конформацию -спирали, и обе тяжелые цепи скручены между
собой, образуя часть молекулы в форме палочки. С противоположных концов
каждой цепи присоединены по две легкие цепи, вместе с глобулярной
формой этих концов цепи они образуют «головки» молекул.
Палочкообразные концы молекул могут соединяться друг с другом
продольно, образуя пучки, головки молекул при этом располагаются
кнаружи от пучка по спирали. Кроме того, в области М-линии пучки
соединяются между собой «хвост в хвост». Каждая миозиновая нить
содержит около 400 молекул миозина. Головка молекулы миозина обладает
Са-зависимой АТФ-азной активностью, которая регулируется малыми
субъединицами.
Зона М-линии
Две тяжелые
цепи
Две легкие цепи
3
Строение актиновых нитей
Главным белком тонких нитей является актин (20-30% мышечного
белка). Фибрилярный Ф-актин является важным структурным элементом
цитоскелета и находится с глобулярным G-актином. В состав актиновых
нитей входят белки актин, тропомиозин и тропонин. Основу составляют
молекулы актина. Сам белок актин – глобулярный белок с молекулярной
массой 43 000 и шарообразной формой молекулы. Нековалентно соединяясь,
глобулярный актин образует фибриллярный актин, напоминая по форме две
скрученные между собой нитки бус.
молекулы актина
молекулы тропонина
молекулы тропомиозина
Другой белок, входящий в актиновые нити – тропомиозин – имеет
форму палочек, он располагается вблизи желобков спиральной ленты
фибриллярного актина, вдоль нее. Размер его в длину в 8 раз больше размера
глобулярного актина, потому одна молекула тропомиозина контактирует
сразу с семью молекулами актина и концами связаны друг с другом, образуя
третью продольную спирально закрученную цепочку.
Третий белок актиновых нитей – тропонин – состоит из трех разных
субъединиц и имеет глобулярную форму. Он нековалентно связан и с
актином и тропомиозином таким образом, что на одну молекулу тропонина
приходится одна молекула тропомиозина, кроме того, одна из его
субъединиц содержит Ca-связывающие центры. Тонкие актиновые нити
прикреплены к Z-пластинам, тоже белковым структурам.
Сокращение происходит путем скольжения тонких актиновых и толстых
миозиновых нитей навстречу друг другу или вдвигания актиновых нитей
между миозиновыми в направлении М-линии. Максимальное укорочение
достигается тогда, когда Z-пластинки, к которым прикреплены актиновые
нити, приближаются к концам миозиновых нитей. При сокращении саркомер
укорачивается на 25-50%. Саркоплазма, вмещающая миофибриллы,
пронизана между ними сетью цистерн и трубочек эндоплазматического
4
ретикулума, а также системой поперечных трубочек, которые тесно
контактируют с ним, но не сообщаются.
Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления
Сокращение мышц есть результат укорочения каждого саркомера,
максимальное укорочение саркомера достигается тогда, когда Z-пластинки, к
которым прикреплены актиновые нити, приближаются вплотную к концам
миозиновых нитей.
В сокращении мышц у актиновых и миозиновых нитей свои роли:
миозиновые нити содержат активный центр для гидролиза АТФ, устройство
для превращения энергии АТФ в механическую энергию, устройство для
сцепления с актиновыми нитями и устройства для восприятия регуляторных
сигналов со стороны актиновых нитей, актиновые нити имеют механизм
сцепления с миозиновыми нитями и механизм регуляции сокращения и
расслабления.
Сокращение мышцы включается потенциалом действия нервного
волокна, который через нервно-мышечный синапс при посредстве медиатора
трансформируется в потенциал действия сарколеммы и трубочек Т-системы.
Ответвления трубочек окружают каждую миофибриллу и контактируют с
цистернами саркоплазматического ретикулума. В цистернах в значительной
концентрации содержится Ca. Потенциал действия, поступающий по
трубочкам,
вызывает
высвобождение
ионов
Ca2+
из
цистерн
2+
саркоплазматического ретикулума. Ионы Ca
присоединяются к Сaсвязывающей субъединице тропонина. В присутствии ионов Ca2+ на
мономерах актиновых нитей открываются центры связывания миозиновых
головок, причем по всей системе тропонин – тропомиозин – актин. Как
результат этих изменений – миозиновая головка присоединяется к
ближайшему мономеру актина.
Головки миозина обладают высоким сродством к АТФ, так что в мышце
большинство головок содержит связанный АТФ. Присоединение головки
миозина к актину, активирует АТФ-азный центр, АТФ гидролизуется, АДФ и
фосфат покидают активный центр, что приводит к изменению конформации
миозина: возникает дополнительное напряжение, стремящееся уменьшить
угол между головкой и хвостом молекулы миозина, т.е. наклонить головку в
направлении М-линии. Поскольку миозиновая головка соединена с
актиновой нитью, то, наклоняясь в сторону М-линии она смещает в этом же
направлении и актиновую нить.
АДФ, высвобождаемые с множества головок проходят следующую
трансформацию:
2 АДФ  АТФ + АМФ
Освобожденные от АТФ головки снова притягивают к себе АТФ в
связи с его высоким сродство, о чем уже упоминалось выше, присоединение
АТФ уменьшает сродство миозиновой головки с актиновыми нитями и
5
миозин возвращается в исходное состояние. Далее повторяется весь цикл с
самого начала, но поскольку в предыдущем цикле актиновая нить за счет
своего движения приблизила Z-пластинку, то та же самая головка миозина
присоединяется уже к другому мономеру актина ближе к Z-пластинке.
Сотни миозиновых головок каждой миозиновой нити работают
одновременно, втягивая, таким образом, актиновую нить.
Сокращение мышечных волокон обусловлено продольным скольжением
толстых миозиновых и тонких актиновых филаментов относительно друг
друга. Сокращение мышечных волокон является результатом следующего
цикла реакций:
1. В отсутствии АТФ (исходное состояние) головки молекул миозина
прочно связаны с актиновыми нитями. При связывании АТФ головки
отделяются от актиновых нитей.
2. АТФ-аза головок миозина гидролизует АТФ на АДФ и Рн, но
продолжает удерживать оба продукта реакции близко друг от друга.
Гидролиз АТФ вызывает аллостерические изменения в миозиновой головке.
3. Теперь головка миозина образует новый мостик с соседней молекулой
актина
4. Актин ускоряет выброс продуктов АТФ-азной реакции из активного
центра миозина. Это приводит к преобразованию аллостерического
напряжения и изменению конформации головки миозина, которое действует
подобно «удару весла». Во время этого гредка миозиновые головки
отклоняются на определенный угол от оси и перемещают миозиновый
филамент вдоль актинового филамента по направлению к Z-диску. Цикл
повторяется до тех пор, пока имеется АТФ.
Каждый гребок 500 актиновых головок толстого филамента вызывает
смещение на 10нм. Во время сильных сокращений частота гребков
составляет примерно 5 раз в сек. При каждом цикле гидролиза АТФ головки
миозина взаимодействуют с новыми молекулами актина, за счет чего и
6
происходит взаимное скольжение миозиновых и актиновых филаментов, т.е.
сокращение мышечного волокна.
Источники энергии мышечного сокращения.
Скелетная мышца, работающая с максимальной интенсивностью,
потребляет в сотни раз больше энергии, чем покоящаяся, причем переход от
состояния покоя к состоянию максимальной работы происходит за доли
секунды. В связи с этим у мышц совсем по-другому построен механизм
изменения скорости синтеза АТФ в очень широких пределах.
Как уже упоминалось, при мышечном сокращении большое значение
имеет процесс синтеза АТФ из АДФ, высвобождаемых из миозиновых
головок. Это происходит при помощи, имеющегося в мышцах
высокоэнергетического вещества креатинфосфата, которое образуется из
креатина и АТФ при действии креатинкиназы:
NH
II
C-NH2
I
N-CH3+АТФ
I
CH2
I
COOH

NH
II
C-NH-PO3H2
I
N-CH3 + АДФ
I
CH2
I
COOH
Регуляция сокращения мышечных волокон:
Электромеханическое. Сокращение мышечных волокон управляют
двигательные нейроны, которые выделяют нейромедиатор ацетилхолин в
нервно-мышечных соединениях (синапсах). Ацетилхолин дифундирует через
синаптическую щель и взаимодействует с холинэргическими рецепторами
плазматической мембраны мышечных клеток. Это вызывает открывание
трансмембранных ионных каналов и деполяризацию клеточной мембраны
(образование потенциала действия). Потенциал действия быстро
распространяется по всем направлениям от нервномышечного соединения,
возбуждая все мышечные клетки.
Роль одновалентных ионов и кальция в регуляции мышечного
сокращения.
Мышечная клетка обладает возбудимостью и сократительной
способностью, одновременно и в ходе цикла сокращения и расслабления
мышц действуют три самостоятельных АТФ-зависимых механизма:
натриевый насос клеточной мембраны, кальциевый насос внутри самой
клетки и механизм, превращающий химической энергии гидролиза АТФ в
7
механическую энергию сокращения. Функционирование Na+ ,К+-АТФ-азной
системы клеточной мембраны мышц или сарколеммы, приводит
перемещению К+ во внутрь, а Na+ наружу против градиентов их
концентрации. Стимуляция мышцы осуществляется посредством волны
деполяризации. В результате этого вся мыщца отвечает на сократительный
стимул как единое целое. После совершения мыщечной работы происходит
возврашение к исходному состоянию ионных градиентов и реполяризация
сарколеммы.
Регуляция ионами Са. В раслабленной скелетной мышце комплекс
тропонина с тропомиозином препятствует взаимодействию миозиновых
волокон с актином. При этом концентрация ионов Cа низка (менее 10-5М).
При сокращении мышечного волокна скелетных мышц позвоночных
происходит следующая последовательность событий.
При поступлении сигнала от двигательного нейрона мембрана
мышечной клетки деполяризуется, сигнал передается на Са-каналы
саркоплазматического
ретикулума.
Са-каналы
открываются,
внутриклеточный уровень ионов Са возрастает и происходит быстрое
связывание Са с С-субъединицей тропонина, что влечет за собой разрушение
комплекса тропонин-тропомиозин и дает возможность головкам миозина
связываться с актином. Происходит инициация актин-миозинового цикла.
По завершении сокращения уровень ионов Са снидается за счет
активного обратного транспорта Са в саркоплазматический ретикулум.
Тропонин С отдает СА, комплекс тропонин-тропомиозин занимает исходное
положение на молекуле актина, блокируя актин-миозиновый цикл.
Результатом является расслабление мышцы.
Энергетический обмен в мышечной ткани. Процесс сокращения и
расслабления связан с потреблением АТФ, гидролиз которого катализирует
миозин-АТФ-аза. Однако небольшой запас АТФ в мышцах расходуется
менее чем за 1 сек. после стимуляции. Потребность работающей мышцы в
АТФ удовлетворяется за счет следующих ферментативных реакций:
1.
Резерв в виде креатинфосфата. Быстрая регенерация АТФ может
быть достигнута за счет переноса фосфатной группы
креатинфосфата на АДФ при участии креатинкиназы.
Креатин – Р + АДФ
креатинин + АТФ
2.
Анаэробный гликолиз. В мышечной ткане наиболее важным
долгосрочным энергетическим резервом является гликоген. В
покоящейся ткане содержание гликогена составляет около 2% от
мышечной массы. При участии фосфорилазы гликоген
расцепляется на Г6Ф с последующим превращением в пируват
или лактат, который при участии глюкозо-аланинового и Кори
цикла превращается в глюкозу.
8
3.
4.
Окислительное фосфорилирование. Он является наиболее
эффективным и постоянно действующим путем синтеза АТФ.
Однако этот путь реализуется при хорошом кровоснабжении
мышц.
Образование инозинмонофосфата. Другим источником быстрого
восстановления уровня АТФ является конферсия АДФ в АТФ и
АМФ, катализируемой миокиназой. Образовавшийся АМФ за
счет дезаминирования превращается в ИМФ, что сдвигает
реакцию в нужном направлении.
2 АДФ
АТФ + цАМФ.
Но основным путем обеспечения энергией является окислительное
фосфорилирование, особенно для сердечной мышцы. Повышение
концентрации цАМФ в мышечной ткани сигнализирует об истошении
клеточных энергетических ресурсов и действует на некоторые ключевые
ферменты катаболизма углеводов. Следует указать, что процесс мышечного
сокрашения осуществляет потребление энергии за счет распада и углеводов,
и жиров, и белков, что указывает на тесную связь между этими
соединениями в мышцах.
Особенности обмена веществ в сердечной мышце. Сердце работает
беспрерывно с определенного периода эмбрионального развития и до
последнего момента жизни, сохраняя присуший ему ритм. вследствие этого
структура мышцы сердца отличается от структуры скелетных мышц.
Наличие в мышце сердца значительного количества миоглобина – белка,
содержащего кислород, обеспечивает ей дополнительный источник
кислорода. Кроме того в мышце сердца в отличие от скелетных мыщц
содержатся преимущественно ферментные системы аэробного обмена.
Установлено, что окислительные процессы протекают в митохондриях
мышечных волокон, где и осуществляется окисление пировиноградной и
молочной кислот до СО2 и Н2О с одновременным процессом ресинтеза АТФ
за счет процессов окислительного фосфорилировани. Удивительная
способность организма выражается в том, что при усиленной мышечной
работе в них выделяется молочная кислота, которая необходима, как один из
источников энергии для мышцы сердца, а усиленная работа сердца нужна
для улучшения кровообращения в скелетных мышцах. В сердечной мышце
меньше миофибрилярных белков, больше белков стромы, чем в скелетной
мускулатуре. Миозин, тропомиозин, тропонин сердечной мышцы заметно
отличается по своим физико-химическим свойствам, содержание
миоальбумина больше. Содержание АТФ 2,60 ммоль/г ткани в сердце, 4,43 –
скелетная мышца и 1,38 – гладкая. По содержанию гликогена также занимает
промежуточное положение. Миокард богач фосфоглицеридами. Инфаркт
миокарда – это следствие перебоев в поступлении кислорода.
9
Биохимические изменения в мышцах при патологии.
При повреждении нервных стволов, несущих импульсы от коры
головного мозга, наступает атрофия мыщц, которая сопровождается
уменьшением
содержания
миофибрилярных
белков,
возрастание
концентрации белков стромы и некоторых саркоплазматических белков, в
том числе миоальбумина. Снижается уровент АТФ и креатинфосфата,
снижение АТФ-азной активности миозина. Отмечаются сдвиги в
фосфолипидном составе: сниженин ФХ и ФЭА, повышение СМ и ЛФ.
Карушвется метаболизм креатина, отмечается креатинурия в результате
нарушения его удерживания и фосфорилирования, снижается уровень
креатинита, возрастает креатиновый показатель. Снижается активность
ферментов в мышцах, возрастает активность лизосомальных ферментов,
снижается способность аденилатциклазы под действием адреналина. Нередко
причиной атрофии мышц является недостаток в пище витамина Е, который
имеет прямое отношение к обмену креатина в организме.
10