Механизм мышечного сокращения

Мышечное сокращение осуществляется на уровне саркомера — основной структурной и функциональной единицы поперечнополосатой мышцы. Саркомер формируется из чередующихся полос: тёмных (А-полос) и светлых (I-полос). Основными белками, обеспечивающими сокращение, являются актин (тонкие нити) и миозин (толстые нити). Актин образует две спиральные цепи, стабилизированные тропомиозином и регулируемые тропонином, состоящим из трёх субъединиц: TnC (связывает кальций), TnI (ингибирует актин-миозиновое взаимодействие), TnT (связывает тропомиозин). Миозин представлен шестимерной молекулой с двумя тяжёлыми цепями, формирующими головки, обладающие АТФ-азной активностью, и четырьмя лёгкими цепями, регулирующими активность головок.

Роль ионного сигнала

Инициирование сокращения зависит от кальциевого сигнала. При возбуждении мышечного волокна деполяризация мембраны саркоплазматического ретикулума вызывает открытие кальциевых каналов и выброс Ca²⁺ в саркоплазму. Связывание кальция с TnC приводит к конформационным изменениям тропонин-тропомиозинового комплекса, открывая активные центры актина для взаимодействия с головками миозина.

Кросс-мостикова модель

Основной механизм сокращения — скольжение актиновых и миозиновых нитей относительно друг друга. Процесс включает последовательность циклов, известных как кросс-мостиковый цикл:

1. Ассоциация головки миозина с актином — в присутствии АДФ и неорганического фосфата (Pi) миозиновая головка связывается с актиновым филаментом.
2. Силовой удар (power stroke) — высвобождение Pi вызывает поворот головки миозина, перемещая актиновую нить на ~10 нм относительно миозина, сопровождающееся сокращением саркомера.
3. Диссоциация — связывание новой молекулы АТФ с миозином снижает его аффинность к актину, приводя к разъединению кросс-моста.
4. Гидролиз АТФ — АТФ расщепляется до АДФ и Pi, перезаряжая головку миозина в высокоэнергетическое состояние для следующего цикла.

Этот цикл повторяется многократно, создавая непрерывное сокращение мышечного волокна. Энергия АТФ необходима как для силового удара, так и для восстановительного этапа.

Регуляция сокращения

Активность мышечных сокращений модулируется несколькими уровнями:

• Ионный контроль — концентрация Ca²⁺ в саркоплазме определяет степень взаимодействия актина и миозина.
• Фосфорилирование регуляторных легких цепей миозина — в гладкой мускулатуре повышает активность АТФ-азы и усиливает силу сокращения.
• Нейромышечная передача — высвобождение ацетилхолина на синапсе вызывает деполяризацию мембраны и активацию кальциевого сигнала.

Энергетический обмен

Сокращение требует непрерывного синтеза АТФ. Основные источники:

• Аэробный метаболизм — митохондриальный цикл трикарбоновых кислот и дыхательная цепь обеспечивают максимальный выход энергии.
• Анаэробный гликолиз — обеспечивает быстрый, но кратковременный прирост энергии, с образованием лактата.
• Креатинфосфат — высокоэнергетическое соединение, способное быстро регенерировать АТФ при внезапной нагрузке.

Баланс между этими путями зависит от типа мышечного волокна: медленные окислительные волокна преимущественно используют аэробный метаболизм, быстрые гликолитические волокна — анаэробный гликолиз и креатинфосфат.

Координация работы саркомеров

Сокращение мышечного волокна достигается синхронизацией работы тысяч саркомеров. Каждый саркомер сокращается одновременно, благодаря быстрому распространению потенциала действия вдоль мембранного комплекса T-трубочек, обеспечивающего одновременный выброс Ca²⁺ по всей длине волокна. При этом длина актиновых и миозиновых нитей остаётся постоянной, изменяется лишь степень их перекрытия, что подтверждает модель скольжения нитей.

Молекулярные аспекты усталости

Состояние мышечной усталости связано с:

• Истощением запасов АТФ и креатинфосфата
• Накоплением лактата и H⁺, изменяющих рН и снижающих активность АТФ-азы
• Нарушением ионного гомеостаза, особенно концентрации Ca²⁺ и K⁺

Эти факторы уменьшают эффективность кросс-мостикового цикла, замедляют сокращение и уменьшают силу мышечного сокращения.

Влияние препаратов и токсинов

Некоторые вещества изменяют механизм мышечного сокращения:

• Курареподобные препараты блокируют никотиновые ацетилхолиновые рецепторы, предотвращая деполяризацию мембраны.
• Тетанусный токсин нарушает тормозную нейротрансмиссию, вызывая спастическое сокращение.
• Церебральные препараты, блокирующие Са²⁺-каналы, снижают силу сокращения и замедляют восстановление после нагрузки.

Мышечное сокращение представляет собой интегрированный процесс, включающий структурную организацию белков, ионный контроль, энергообеспечение и регуляцию на молекулярном уровне. Понимание этих механизмов лежит в основе биохимии и физиологии мышечной функции.