Lihaste kontraktsioonide järjestus. Lihaste kontraktsiooni ja lõõgastumise mehhanismid. Lihaste töö biokeemilised mehhanismid

Lihastöö protsessid on mitmetasandiline füsioloogiliste ja biokeemiliste funktsioonide kompleks, mis on inimkeha täielikuks funktsioneerimiseks eluliselt olulised. Väliselt võib sarnaseid protsesse täheldada vabatahtlike liigutuste näidetes kõndimisel, jooksmisel, näoilmete muutmisel jne. Need hõlmavad aga palju laiemat funktsioonide ringi, mis hõlmab ka hingamisaparaadi, seedeorganite ja eritussüsteemi tööd. . Igal juhul toetab lihaste kontraktsioonide mehhanismi miljonite rakkude töö, milles osalevad keemilised elemendid ja füüsikalised kiud.

Lihase struktuurne korraldus

Lihased moodustuvad paljudest koekiududest, millel on kinnituspunktid luustiku luude külge. Need asuvad paralleelselt ja lihastöö protsessis suhtlevad üksteisega. Just kiud pakuvad impulsside vastuvõtmisel lihaste kontraktsiooni mehhanismi. Lühidalt võib lihasstruktuuri kujutada sarkomeeri ja müofibrillide molekulidest koosneva süsteemina. Oluline on mõista, et iga lihaskiu moodustavad paljud müofibrillide alaühikud, mis paiknevad üksteise suhtes pikisuunas. Nüüd tasub sarkomeerid ja filamentid eraldi kaaluda. Kuna neil on motoorsetes protsessides oluline roll.

Sarkomeerid ja filamendid

Sarkomeerid on kiudude segmendid, mis on eraldatud beeta-aktiniini sisaldavate niinimetatud Z-plaatidega. Igalt plaadilt ulatuvad aktiini filamendid ja vahed on täidetud paksude müosiini analoogidega. Aktiini elemendid omakorda näevad välja nagu topeltspiraaliks keerdunud helmeste stringid. Selles struktuuris on iga helmes aktiini molekul ja troponiini molekulid asuvad spiraali soontega piirkondades. Kõik need struktuuriüksused moodustavad üksteisega suheldes mehhanismi lihaskiudude kokkutõmbumiseks ja lõdvestamiseks. Rakumembraanil on kiudude ergastamisel võtmeroll. See sisaldab põiki invaginatsioonitorusid, mis aktiveerivad sarkoplasmaatilise retikulumi funktsiooni - see mõjub lihaskoele põnevalt.

mootoriüksus

Nüüd tasub eemalduda lihase süvastruktuurist ja arvestada motoorset üksust skeletilihase üldises konfiguratsioonis. See on lihaskiudude kogum, mida innerveerivad motoorsete neuronite protsessid. Lihaskoe töö tagavad olenemata toime olemusest kiud, mis sisalduvad ühe motoorse üksuse koostises. See tähendab, et kui motoorne neuron on erutatud, vallandub lihaste kontraktsioonide mehhanism ühe innerveeritud protsessidega kompleksi raames. Selline motoorsete neuronite jagunemine võimaldab teil sihipäraselt kaasata konkreetseid lihaseid ilma asjatult naabermotoorseid üksusi erutamata. Tegelikult on kogu ühe organismi lihasrühm jagatud motoorsete neuronite segmentideks, mida saab kombineerida, et töötada kokkutõmbumise või lõdvestamise nimel, või nad võivad toimida erinevalt või vaheldumisi. Peaasi, et nad on üksteisest sõltumatud ja töötavad ainult oma kiudude rühma signaalidega.

Lihaste töö molekulaarsed mehhanismid

Vastavalt filamendi libisemise molekulaarsele kontseptsioonile realiseerub lihasrühma töö ja eriti selle kokkutõmbumine müosiinide ja aktiinide libisemise ajal. Nende lõimede koostoimeks on rakendatud keerukat mehhanismi, milles saab eristada mitmeid protsesse:

• Müosiini filamendi keskosa on ühendatud aktiini kimpudega.
• Aktiini saavutatud kontakt müosiiniga aitab kaasa viimase molekulide konformatsioonilisele liikumisele. Pead sisenevad aktiivsesse faasi ja pöörduvad ümber. Seega viiakse lihaste kontraktsiooni molekulaarsed mehhanismid läbi aktiivsete elementide niitide üksteise suhtes ümberpaigutamise taustal.
• Seejärel toimub müosiinide ja aktiinide vastastikune lahknemine, millele järgneb viimase peaosa taastamine.

Kogu tsükkel sooritatakse mitu korda, mille tulemusena eelnimetatud ahelad nihkuvad ning sarkomeeride Z-segmendid koonduvad ja lühenevad.

Lihastöö füsioloogilised omadused

Lihastöö peamiste füsioloogiliste omaduste hulgas eristatakse kontraktiilsust ja erutuvust. Need omadused on omakorda määratud kiudude juhtivuse, plastilisuse ja automatiseerimise omadusega. Juhtivuse osas tagab see erutusprotsessi leviku müotsüütide vahel ühenduskohtade kaudu - need on spetsiaalsed elektrit juhtivad ahelad, mis vastutavad lihaste kokkutõmbumise impulsi läbiviimise eest. Pärast kokkutõmbumist või lõõgastumist tehakse aga ka kiudude tööd.

Nende teatud vormis rahuliku oleku eest vastutab plastilisus, mis määrab konstantse tooni säilimise, milles praegu asub lihaste kokkutõmbumismehhanism. Plastilisuse füsioloogia võib avalduda nii kiudude lühenenud oleku säilimise kui ka venitatud kujul. Huvitav on ka automatiseerimise omadus. See määrab lihaste võime siseneda tööfaasi ilma närvisüsteemi ühendamata. See tähendab, et müotsüüdid toodavad sõltumatult rütmiliselt korduvaid impulsse kiudude teatud toimingute jaoks.

Lihaste töö biokeemilised mehhanismid

Lihaste töös osaleb terve hulk keemilisi elemente, sealhulgas kaltsium ja kontraktiilsed valgud nagu troponiin ja tropomüosiin. Selle energiavarustuse põhjal viiakse läbi ülalpool käsitletud füsioloogilised protsessid. Nende elementide allikas on adenosiintrifosforhape (ATP), samuti selle hüdrolüüs. Samal ajal on ATP-ga varustamine lihases võimeline tagama lihaste kontraktsiooni vaid sekundi murdosa jooksul. Vaatamata sellele suudavad kiud närviimpulssidele konstantsel režiimil reageerida.

Fakt on see, et lihaste kokkutõmbumise ja lõdvestamise biokeemilised mehhanismid ATP toel on seotud kreatiinfosfaadi kujul makroergi varuvarude arendamise protsessiga. Selle reservi maht on mitu korda suurem kui ATP varu ja aitab samal ajal kaasa selle tekkele. Lisaks ATP-le võib glükogeen toimida lihaste energiaallikana. Muide, lihaskiud moodustavad umbes 75% selle aine koguvarust kehas.

Eksitatoorsete ja kontraktiilsete protsesside konjugatsioon

Puhkeolekus ei suhtle kiudude kiud üksteisega libisedes, kuna sidemete keskpunktid on suletud tropomüosiini molekulidega. Ergastamine saab toimuda alles pärast elektromehaanilist sidumist. See protsess on samuti jagatud mitmeks etapiks:

• Neuromuskulaarse sünapsi aktiveerumisel moodustub müofibrillide membraanile nn postsünaptiline potentsiaal, mis akumuleerib tegevuseks energiat.
• Ergutav impulss, tänu torusüsteemile, lahkneb piki membraani ja aktiveerib retikulumi. See protsess aitab lõpuks kaasa barjääride eemaldamisele membraanikanalitest, mille kaudu vabanevad troponiiniga seonduvad ioonid.
• Troponiini valk omakorda avab aktiini kimpude keskused, misjärel saab võimalikuks lihaste kontraktsioonide mehhanism, kuid selle käivitamiseks on vaja ka vastavat impulssi.
• Avatud keskuste kasutamine algab hetkel, mil müosiinipead nendega ühinevad vastavalt ülalkirjeldatud mudelile.

Nende toimingute täistsükkel toimub keskmiselt 15 ms jooksul. Ajavahemikku kiudude ergutamise algpunktist kuni täieliku kokkutõmbumiseni nimetatakse latentseks.

Skeletilihaste lõdvestamise protsess

Kui lihased lõdvestuvad, toimub Ca ++ ioonide vastupidine ülekanne retikulumi ja kaltsiumikanalite ühendusega. Ioonide tsütoplasmast vabanemise protsessis väheneb sidumiskeskuste arv, mille tulemuseks on aktiini ja müosiini filamentide eraldumine. Teisisõnu, lihaste kokkutõmbumise ja lõõgastumise mehhanismid hõlmavad samu funktsionaalseid elemente, kuid need toimivad erineval viisil. Pärast lõõgastumist võib tekkida kontraktuuriprotsess, mille käigus täheldatakse lihaskiudude pidevat kokkutõmbumist. See seisund võib püsida kuni ärritava impulsi järgmise toime ilmnemiseni. Samuti on lühitoimeline kontraktuur, mille eelduseks on teetaniline kontraktsioon suurte kogustega ioonide akumulatsiooni tingimustes.

Kokkutõmbumise faasid

Kui lihaskonda käivitab läveülese jõu ärritav impulss, toimub üks kokkutõmbumine, milles saab eristada 3 faasi:

• Juba eespool mainitud varjatud tüüpi kokkutõmbumise periood, mille jooksul kiud koguvad energiat järgmisteks toiminguteks. Sel ajal toimuvad elektromehaanilise sidumise protsessid ja sidemete keskpunktid avanevad. Selles etapis valmistatakse ette lihaskiudude kokkutõmbumise mehhanism, mis aktiveerub pärast vastava impulsi levimist.
• Lühenemisfaas – kestab keskmiselt 50 ms.
• Lõõgastusfaas kestab samuti ligikaudu 50 ms.

Lihaste kokkutõmbumise viisid

Ühekordset kontraktsioonitööd on peetud "puhta" lihaskiudude mehaanika näiteks. Looduslikes tingimustes sellist tööd aga ei tehta, kuna kiud reageerivad pidevalt motoorsete närvide signaalidele. Teine asi on see, et sõltuvalt selle vastuse olemusest võib töö toimuda järgmistes režiimides:

• Kokkutõmbed tekivad pulsisageduse vähenemise korral. Kui elektriimpulss levib pärast lõõgastumise lõppu, järgneb rida üksikuid kokkutõmbumist.
• Impulsssignaalide kõrge sagedus võib langeda kokku eelmise tsükli lõdvestava faasiga. Sel juhul võetakse kokku amplituud, milles lihaskoe kokkutõmbumismehhanism töötas, mis tagab pikaajalise kokkutõmbumise koos mittetäielike lõdvestustoimingutega.
• Impulsside suurenenud sageduse tingimustes töötavad lühenemise perioodidel uued signaalid, mis kutsuvad esile pikaajalise kokkutõmbumise, mida lõõgastus ei katkesta.

Sagedus Optimum ja Pessimum

Kontraktsioonide amplituudid määrab lihaskiude ärritavate impulsside sagedus. Selles signaalide ja vastuste vastasmõju süsteemis saab eristada sageduse optimaalset ja pessimumi. Näidatud on esimene sagedus, mis toimimise ajal kattub suurenenud erutuvuse faasiga. Selles režiimis saab aktiveerida suure amplituudiga lihaskiudude kokkutõmbumise mehhanismi. Pessimum omakorda määrab kõrgema sageduse, mille impulss langeb tulekindluse faasile. Vastavalt sellele väheneb sel juhul amplituud.

Skeletilihaste töö tüübid

Lihaskiud võivad töötada dünaamiliselt, staatiliselt ja dünaamiliselt. Ületatakse standardne dünaamiline töö - see tähendab, et kokkutõmbumise hetkel liigub lihas objekte või selle komponente ruumis. Lihase staatiline toime on mingil moel stressist vabastatud, kuna sel juhul ei ole ette nähtud selle olekut muuta. Skeletilihaste kontraktsiooni dünaamiliselt halvem mehhanism käivitub, kui kiud toimivad pinge all. Paralleelse venitamise vajadus võib tuleneda ka asjaolust, et kiudude töö hõlmab toimingute sooritamist kolmandate isikute kehadega.

Lõpuks

Lihastegevuse organiseerimise protsessid hõlmavad mitmesuguseid funktsionaalseid elemente ja süsteeme. Töö hõlmab keerulist osalejate kogumit, millest igaüks täidab oma ülesannet. On näha, kuidas lihaste kontraktsioonide mehhanismi aktiveerimise protsessis vallanduvad kaudsed funktsionaalsed plokid. Näiteks puudutab see töö tegemiseks energiapotentsiaali tekitamise protsesse või sidemete tsentrite blokeerimise süsteemi, mille kaudu toimub müosiinide ja aktiinide ühendus.

Põhikoormus langeb otse kiududele, mis sooritavad teatud toiminguid mootoriüksuste käskudel. Pealegi võib konkreetse teose esituse iseloom olla erinev. Seda mõjutavad nii suunatud impulsi parameetrid kui ka lihase hetkeseisund.

Liikuvus on kõigi eluvormide iseloomulik omadus. Suunatud liikumine toimub kromosoomide eraldumisel rakkude jagunemisel, molekulide aktiivsel transpordil, ribosoomide liikumisel valgusünteesi käigus, lihaste kokkutõmbumisel ja lõõgastumisel. Lihaste kokkutõmbumine on bioloogilise liikuvuse kõige arenenum vorm. Igasugune liikumine, sealhulgas lihaste liikumine, põhineb ühistel molekulaarsetel mehhanismidel.

Inimestel on mitut tüüpi lihaskude. Vöötlihaskoest moodustavad skeletilihased (skeletilihased, mida saame vabatahtlikult kokku tõmmata). Silelihaskoe on osa siseorganite lihastest: seedetrakt, bronhid, kuseteede, veresooned. Need lihased tõmbuvad tahes-tahtmata kokku, sõltumata meie teadvusest.

Selles loengus käsitleme skeletilihaste kokkutõmbumise ja lõdvestamise struktuuri ja protsesse, kuna need pakuvad spordi biokeemiale kõige rohkem huvi.

mehhanism lihaste kokkutõmbumine ei ole siiani täielikult avalikustatud.

Järgnev on hästi teada.

1. ATP molekulid on lihaste kokkutõmbumise energiaallikaks.

2. ATP hüdrolüüsi katalüüsib lihaste kokkutõmbumise ajal müosiin, millel on ensümaatiline aktiivsus.

3. Lihaskontraktsiooni käivitav mehhanism on närvimotoorse impulsi poolt põhjustatud kaltsiumioonide kontsentratsiooni suurenemine müotsüütide sarkoplasmas.

4. Lihaste kokkutõmbumise ajal tekivad müofibrillide õhukeste ja paksude filamentide vahele ristsillad või adhesioonid.

5. Lihaste kokkutõmbumisel libisevad peenikesed niidid mööda jämedaid, mis viib müofibrillide ja kogu lihaskiu kui terviku lühenemiseni.

Lihaste kokkutõmbumise mehhanismi selgitavaid hüpoteese on palju, kuid kõige mõistlikum on nn "libisevate niitide" või "sõudmise hüpotees" hüpotees (teooria).

Puhkelihases on õhukesed ja paksud filamendid lahti ühendatud olekus.

Närviimpulsi mõjul lahkuvad kaltsiumiioonid sarkoplasmaatilise retikulumi tsisternidest ja kinnituvad õhukeste filamentide valgu – troponiini – külge. See valk muudab oma konfiguratsiooni ja muudab aktiini konfiguratsiooni. Selle tulemusena moodustub ristsild õhukeste filamentide aktiini ja paksude filamentide müosiini vahel. See suurendab müosiini ATPaasi aktiivsust. Müosiin lõhustab ATP-d ja sel juhul vabaneva energia tõttu müosiinipea pöörleb nagu liigend või paadiaer, mis viib lihaskiudude üksteise poole libisemiseni.

Pärast pöörde sooritamist katkevad niitidevahelised sillad. Müosiini ATPaasi aktiivsus väheneb järsult ja ATP hüdrolüüs peatub. Närviimpulsi edasisel saabumisel moodustuvad aga uuesti ristsillad, kuna ülalkirjeldatud protsessi korratakse uuesti.

Igas kontraktsioonitsüklis kulub 1 ATP molekul.

Lihaste kokkutõmbumine põhineb kahel protsessil:

kontraktiilsete valkude spiraalne keerdumine;

müosiini ahela ja aktiini vahelise kompleksi tsükliliselt korduv moodustumine ja dissotsiatsioon.

Lihaste kokkutõmbumine algab aktsioonipotentsiaali saabumisel motoorse närvi otsaplaadile, kus vabaneb neurohormoon atsetüülkoliin, mille ülesandeks on impulsside edastamine. Esiteks interakteerub atsetüülkoliin atsetüülkoliini retseptoritega, mis viib aktsioonipotentsiaali levimiseni mööda sarkolemmat. Kõik see põhjustab sarkolemma läbilaskvuse suurenemist Na + katioonidele, mis tormavad lihaskiudu, neutraliseerides sarkolemma sisepinna negatiivse laengu. Sarkoplasmaatilise retikulumi põiktorukesed on ühendatud sarkolemmaga, mida mööda levib erutuslaine. Tubulitest kantakse erutuslaine edasi vesiikulite ja tsisternide membraanidele, mis põimivad müofibrillid piirkondades, kus toimub aktiini ja müosiini filamentide koostoime. Kui signaal edastatakse sarkoplasmaatilise retikulumi tsisternidesse, hakkavad viimased vabastama neis paiknevat Ca 2+. Vabanenud Ca 2+ seondub Tn-C-ga, mis põhjustab konformatsioonilisi nihkeid, mis kanduvad edasi tropomüosiinile ja seejärel aktiinile. Aktiin vabaneb justkui kompleksist koos õhukeste filamentide komponentidega, milles see asus. Järgmisena interakteerub aktiin müosiiniga ja selle interaktsiooni tulemuseks on adhesioonide moodustumine, mis võimaldab õhukestel filamentidel liikuda mööda pakse.

Jõu tekitamine (lühenemine) on tingitud müosiini ja aktiini vahelise interaktsiooni olemusest. Müosiinivardal on liikuv liigend, mille piirkonnas toimub pöörlemine, kui müosiini kerakujuline pea on seotud teatud aktiinipiirkonnaga. Just need pöörlemised, mis toimuvad samaaegselt paljudes müosiini ja aktiini interaktsiooni kohtades, on aktiinikiudude (õhukeste filamentide) H-tsooni tagasitõmbumise põhjuseks. Siin nad puutuvad kokku (maksimaalsel lühenemisel) või isegi kattuvad üksteisega, nagu on näidatud joonisel.

sisse

Pilt. Vähendamise mehhanism: a- puhkeseisund; b- mõõdukas kontraktsioon; sisse- maksimaalne kokkutõmbumine

Selle protsessi jaoks vajalik energia saadakse ATP hüdrolüüsi teel. Kui ATP kinnitub müosiini molekuli pea külge, kus asub müosiini ATPaasi aktiivne keskus, ei teki õhukeste ja jämedate filamentide vahel ühendust. Ilmuv kaltsiumkatioon neutraliseerib ATP negatiivse laengu, soodustades konvergentsi müosiini ATPaasi aktiivse keskusega. Selle tulemusena toimub müosiini fosforüülimine, st müosiin laetakse energiaga, mida kasutatakse aktiiniga adhesioonide moodustamiseks ja õhukese filamendi liigutamiseks. Pärast seda, kui õhuke niit liigub ühe "sammu" edasi, eraldatakse ADP ja fosforhape aktomüosiini kompleksist. Seejärel kinnitatakse müosiinipea külge uus ATP molekul ja kogu protsessi korratakse müosiini molekuli järgmise peaga.

ATP tarbimine on vajalik ka lihaste lõdvestamiseks. Pärast motoorse impulsi toime lõppemist liigub Ca 2+ sarkoplasmaatilise retikulumi tsisternidesse. Th-C kaotab sellega seotud kaltsiumi, mille tulemuseks on konformatsioonilised nihked troponiini-tropomüosiini kompleksis ja Th-I sulgeb taas aktiini aktiivsed saidid, muutes need võimetuks müosiiniga suhelda. Ca 2+ kontsentratsioon kontraktiilsete valkude piirkonnas jääb allapoole läve ja lihaskiud kaotavad võime moodustada aktomüosiini.

Nendes tingimustes võtavad kontraktsiooni ajal deformeerunud strooma elastsed jõud võimust ja lihas lõdvestub. Sel juhul eemaldatakse ketta A jämedate keermete vahelisest ruumist peenikesed niidid, tsoon H ja ketas I omandavad esialgse pikkuse, Z jooned eemalduvad üksteisest sama palju. Lihas muutub õhemaks ja pikemaks.

Hüdrolüüsi kiirus ATP lihastöö ajal on tohutu: kuni 10 mikromooli 1 g lihase kohta 1 minutiga. Üldaktsiad ATP on seetõttu väikesed, et tagada lihaste normaalne toimimine ATP tuleks taastada samas tempos, kui seda tarbitakse.

Lihaste lõdvestamine tekib pärast pika närviimpulsi vastuvõtmise lõpetamist. Samal ajal väheneb sarkoplasmaatilise retikulumi tsisternide seina läbilaskvus ja kaltsiumiioonid lähevad kaltsiumipumba toimel ATP energiat kasutades tsisternidesse. Kaltsiumiioonide eemaldamine retikulumi tsisternidesse pärast motoorse impulsi lakkamist nõuab märkimisväärset energiakulu. Kuna kaltsiumioonide eemaldamine toimub suurema kontsentratsiooni suunas, s.o. osmootse gradiendi vastu, kulutatakse iga kaltsiumiooni eemaldamiseks kaks ATP molekuli. Kaltsiumiioonide kontsentratsioon sarkoplasmas väheneb kiiresti algtasemeni. Valgud omandavad uuesti puhkeolekule iseloomuliku konformatsiooni.

Lihaste kokkutõmbumine on keeruline protsess, mis koosneb mitmest etapist. Peamised koostisosad on siin müosiin, aktiin, troponiin, tropomüosiin ja aktomüosiin, samuti kaltsiumioonid ja -ühendid, mis annavad lihastele energiat. Mõelge lihaste kontraktsioonide tüüpidele ja mehhanismidele. Uurime, millistest etappidest need koosnevad ja mis on tsükliliseks protsessiks vajalik.

lihaseid

Lihased on ühendatud rühmadesse, millel on sama lihaste kokkutõmbumismehhanism. Samal alusel jagunevad need kolme tüüpi:

• keha vöötlihased;
• kodade ja südamevatsakeste vöötlihased;
• elundite, veresoonte ja naha silelihased.

Vöötlihased on osa lihas-skeleti süsteemist, olles selle osa, kuna lisaks neile hõlmab see kõõluseid, sidemeid ja luid. Lihaste kontraktsioonide mehhanismi rakendamisel täidetakse järgmised ülesanded ja funktsioonid:

• keha liigub;
• kehaosad liiguvad üksteise suhtes;
• keha on ruumis toetatud;
• tekib soojust;
• ajukoor aktiveerub vastuvõtlike lihasväljade aferentatsiooniga.

Silelihas koosneb:

• siseorganite motoorne aparaat, mis hõlmab kopse ja seedetoru;
• lümfi- ja vereringesüsteemid;
• kuseteede süsteem.

Füsioloogilised omadused

Nagu kõigil selgroogsetel, on ka inimkeha skeletilihaskiududel kolm kõige olulisemat omadust:

• kontraktiilsus - kokkutõmbumine ja pinge muutus ergastuse ajal;
• juhtivus - potentsiaali liikumine kogu kiu ulatuses;
• erutuvus – reaktsioon ärritajale membraanipotentsiaali ja ioonide läbilaskvuse muutmise kaudu.

Lihased on erutatud ja hakkavad keskustest tulijatest kokku tõmbuma. Kuid tehistingimustes võib seda ärritada otse (otsene ärritus) või lihast innerveeriva närvi kaudu (kaudne ärritus).

Lühendite tüübid

Lihaste kokkutõmbumise mehhanism hõlmab keemilise energia muundamist mehaaniliseks tööks. Seda protsessi saab mõõta katses konnaga: tema vasikalihas on koormatud väikese raskusega ja seejärel ärritatud kergete elektriimpulssidega. Kontraktsiooni, mille käigus lihased muutuvad lühemaks, nimetatakse isotooniliseks. Isomeetrilise kokkutõmbumise korral lühenemist ei toimu. Kõõlused ei võimalda arengu ajal lühendada. Teine auksotooniline lihaskontraktsioonide mehhanism hõlmab intensiivsete koormuste tingimusi, mil lihast lühendatakse minimaalselt ja jõudu arendatakse maksimaalselt.

Skeletilihaste ehitus ja innervatsioon

Vöötskeletilihased sisaldavad palju kiude, mis paiknevad sidekoes ja on kinnitatud kõõluste külge. Mõnes lihases paiknevad kiud paralleelselt pikiteljega, teistes aga kaldus välimusega, kinnituvad tsentraalse kõõluste nööri ja sulg-tüüpi külge.

Kiu peamine omadus on õhukeste filamentide - müofibrillide - massi sarkoplasm. Need hõlmavad heledaid ja tumedaid alasid, mis vahelduvad üksteisega, samas kui naabruses asuvad vöötkiud on samal tasemel - ristlõikes. Selle tulemuseks on põikitriibutamine kogu lihaskius.

Sarkomeer on tumedast ja kahest heledast kettast koosnev kompleks ning seda piiravad Z-kujulised jooned. Sarkomeerid on lihase kontraktiilne aparaat. Selgub, et kontraktiilne lihaskiud koosneb:

• kontraktiilne aparaat (müofibrillide süsteem);
• troofiline aparaat mitokondritega, Golgi kompleks ja nõrk;
• membraaniseadmed;
• tugiseadmed;
• närviaparaat.

See jaguneb oma struktuuride ja funktsioonidega 5 osaks ning on lihaskoe lahutamatu osa.

innervatsioon

See protsess vöötlihaskiududes toimub närvikiudude, nimelt seljaaju ja ajutüve motoorsete neuronite aksonite kaudu. Üks motoorne neuron innerveerib mitut lihaskiudu. Motoorse neuroni ja innerveeritud lihaskiududega kompleksi nimetatakse neuromotoorseks (NME) või (DE). Ühe motoorse neuroni poolt innerveeritud kiudude keskmine arv iseloomustab lihase MU väärtust ja vastastikust väärtust nimetatakse innervatsiooni tiheduseks. Viimane on suur nendes lihastes, kus liigutused on väikesed ja "õhukesed" (silmad, sõrmed, keel). Vastupidi, selle väike väärtus on "karedate" liigutustega lihastes (näiteks pagasiruumis).

Innervatsioon võib olla ühekordne ja mitmekordne. Esimesel juhul realiseeritakse see kompaktsete mootoriotstega. See on tavaliselt iseloomulik suurtele motoorsetele neuronitele. Lihaskiud (sel juhul nimetatakse seda füüsilisteks või kiireteks) genereerivad AP-d (tegevuspotentsiaalid), mis neile kehtivad.

Mitmekordne innervatsioon toimub näiteks välistes silmalihastes. Siin ei teki aktsioonipotentsiaali, kuna membraanis ei ole elektriliselt ergastavaid naatriumikanaleid. Nendes levib depolarisatsioon sünaptilistest lõppudest kogu kiu ulatuses. See on vajalik lihaste kokkutõmbumise mehhanismi aktiveerimiseks. Siin ei ole protsess nii kiire kui esimesel juhul. Sellepärast nimetatakse seda aeglaseks.

Müofibrillide struktuur

Lihaskiudude uurimine toimub tänapäeval nii röntgendifraktsioonanalüüsi, elektronmikroskoopia kui ka histokeemiliste meetodite alusel.

Arvutatakse, et iga müofibrill, mille läbimõõt on 1 μm, sisaldab ligikaudu 2500 protofibrilli, st piklikke polümeriseeritud valgumolekule (aktiini ja müosiin). Aktiini protofibrillid on kaks korda õhemad kui müosiini omad. Puhkeolekus paiknevad need lihased nii, et aktiini filamendid tungivad oma otstega müosiini protofibrillide vahedesse.

Kitsas hele riba kettal A ei sisalda aktiini filamente. Ja Z-membraan hoiab neid koos.

Müosiini filamentidel on kuni 20 nm pikkused põikisuunalised eendid, mille peades on umbes 150 müosiini molekuli. Nad lahkuvad bipolaarselt ja iga pea ühendab müosiini aktiini filamendiga. Kui aktiini tsentrite jõud mõjub müosiini filamentidele, läheneb aktiini filament sarkomeeri keskpunktile. Lõpus jõuavad müosiini filamendid jooneni Z. Seejärel hõivavad nad kogu sarkomeeri ja nende vahel paiknevad aktiini filamendid. Sel juhul vähendatakse I-ketta pikkust ja lõpuks kaob see täielikult, millega koos muutub Z-joon paksemaks.

Niisiis, libisevate niitide teooria kohaselt on lihaskiu pikkuse vähenemine seletatav. "Hammasratta" teooria töötasid välja Huxley ja Hanson kahekümnenda sajandi keskel.

Lihaskiudude kontraktsiooni mehhanism

Teoorias on peamine, et mitte filamendid (müosiin ja aktiin) ei lühene. Nende pikkus jääb muutumatuks ka lihaste venitamisel. Kuid libisevad õhukeste niitide kimbud väljuvad paksude niitide vahelt, nende kattumise aste väheneb, vähendades seega.

Lihaste kokkutõmbumise molekulaarne mehhanism aktiini filamentide libisemise kaudu on järgmine. Müosiinipead ühendavad protofibrillid aktiini fibrilliga. Kui need kalduvad, toimub libisemine, liigutades aktiini filamenti sarkomeeri keskele. Müosiini molekulide bipolaarse organiseerituse tõttu mõlemal pool filamente luuakse tingimused aktiini filamentide libisemiseks eri suundades.

Kui lihased lõdvestuvad, liigub müosiinipea aktiini filamentidest eemale. Tänu lihtsale libisemisele peavad lõdvestunud lihased venitustele palju vähem vastu. Seetõttu on need passiivselt piklikud.

Vähendamise etapid

Lihaste kokkutõmbumise mehhanismi võib lühidalt jagada järgmisteks etappideks:

1. Lihaskiudu stimuleeritakse, kui motoorsetest neuronitest saabub aktsioonipotentsiaal sünapsidesse.
2. Lihaskiudude membraanil tekib aktsioonipotentsiaal, mis seejärel levib müofibrillidele.
3. Tehakse elektromehaaniline sidumine, mis on elektrilise PD muutmine mehaaniliseks libisemiseks. See hõlmab tingimata kaltsiumiioone.

Kaltsiumiioonid

Kaltsiumiioonide poolt kiudude aktiveerimise protsessi paremaks mõistmiseks on mugav arvestada aktiini filamendi struktuuri. Selle pikkus on umbes 1 μm, paksus - 5 kuni 7 nm. See on paar keerdunud filamenti, mis meenutavad aktiini monomeeri. Ligikaudu iga 40 nm järel on sfäärilised troponiini molekulid ja ahelate vahel - tropomüosiin.

Kui kaltsiumiioonid puuduvad, st müofibrillid lõdvestuvad, blokeerivad pikad tropomüosiini molekulid aktiiniahelate ja müosiinisildade kinnitumist. Kui aga kaltsiumiioonid aktiveeruvad, vajuvad tropomüosiini molekulid sügavamale ja alad avanevad.

Seejärel kinnituvad aktiini filamentidele müosiini sillad ja ATP lõheneb ning lihasjõud areneb. See on võimalik tänu kaltsiumi toimele troponiinile. Sel juhul deformeerub viimase molekul, surudes seeläbi läbi tropomüosiini.

Kui lihas on lõdvestunud, sisaldab see rohkem kui 1 µmol kaltsiumi 1 grammi värske kaalu kohta. Kaltsiumisoolad eraldatakse ja hoitakse spetsiaalsetes hoidlates. Muidu tõmbuksid lihased kogu aeg kokku.

Kaltsiumi säilitamine toimub järgmiselt. Lihasraku membraani erinevatel osadel kiu sees on torukesed, mille kaudu toimub ühendus rakuvälise keskkonnaga. See on põiktorude süsteem. Ja sellega risti on pikisuunaliste süsteem, mille otstes on põiksüsteemi membraanide vahetus läheduses asuvad mullid (terminalpaagid). Koos moodustavad nad triaadi. Vesiikulites hoitakse kaltsiumi.

Seega levib AP raku sees ja tekib elektromehaaniline side. Ergastus tungib läbi kiudude, läheb pikisüsteemi, vabastab kaltsiumi. Seega viiakse läbi lihaskiudude kokkutõmbumise mehhanism.

3 protsessi ATP-ga

Mõlema niidi koostoimes kaltsiumiioonide juuresolekul mängib ATP olulist rolli. Kui skeletilihaste lihaste kokkutõmbumismehhanism on realiseerunud, kasutatakse ATP energiat:

• naatrium- ja kaaliumipumba töö, mis säilitab ioonide konstantse kontsentratsiooni;
• need ained membraani vastaskülgedel;
• libisevad niidid, mis lühendavad müofibrillid;
• kaltsiumipumba töö, mis toimib lõõgastumiseks.

ATP-d leidub rakumembraanis, müosiini filamentides ja sarkoplasmaatilise retikulumi membraanides. Ensüümi lõhustab ja kasutab müosiin.

ATP tarbimine

On teada, et müosiinipead interakteeruvad aktiiniga ja sisaldavad ATP-d lõhustavaid elemente. Viimast aktiveerivad magneesiumioonide juuresolekul aktiin ja müosiin. Seetõttu toimub ensüümi lõhustumine, kui müosiinipea kinnitub aktiini külge. Sel juhul, mida rohkem on ristsildu, seda suurem on poolitamise määr.

ATP mehhanism

Pärast liikumise lõpetamist annab AFT molekul energiat reaktsioonis osaleva müosiini ja aktiini eraldamiseks. Müosiinipead eralduvad, ATP laguneb fosfaadiks ja ADP-ks. Lõpuks kinnitatakse uus ATP molekul ja tsükkel jätkub. See on lihaste kontraktsiooni ja lõõgastumise mehhanism molekulaarsel tasemel.

Ristsilla tegevus jätkub ainult seni, kuni toimub ATP hüdrolüüs. Kui ensüüm on blokeeritud, ei kleepu sillad uuesti kokku.

Organismi surma saabudes ATP tase rakkudes langeb ja sillad jäävad stabiilselt aktiini filamendi külge kinni. See on rigor mortis'e staadium.

ATP resüntees

Resünteesi saab rakendada kahel viisil.

Ensümaatilise ülekande kaudu kreatiinfosfaadi fosfaatrühmast ADP-sse. Kuna kreatiinfosfaadi varud rakus on palju suuremad kui ATP-l, toimub resüntees väga kiiresti. Samal ajal toimub püroviinamari- ja piimhappe oksüdeerimise kaudu resüntees aeglaselt.

ATP ja CF võivad täielikult kaduda, kui mürgid häirivad resünteesi. Siis lakkab kaltsiumipump töötamast, mille tulemusena lihas tõmbub pöördumatult kokku (st tekib kontraktuur). Seega on lihaste kokkutõmbumise mehhanism häiritud.

Protsessi füsioloogia

Ülaltoodut kokku võttes märgime, et lihaskiudude kokkutõmbumine seisneb müofibrillide lühenemises igas sarkomeeris. Müosiini (paksud) ja aktiini (õhukesed) filamendid on lõdvestunud olekus otstes ühendatud. Kuid nad hakkavad üksteise poole libisema, kui lihaste kokkutõmbumismehhanism on realiseeritud. Füsioloogia (lühidalt) selgitab protsessi, mil müosiini mõjul vabaneb vajalik energia ATP muundamiseks ADP-ks. Sel juhul realiseerub müosiini aktiivsus ainult sarkoplasmaatilises retikulumis kogunevate kaltsiumiioonide piisava sisaldusega.

Mis erinevad raku- ja koekorralduse, innervatsiooni ja teatud määral ka toimimismehhanismide poolest. Samal ajal on seda tüüpi lihaste vahelise lihaskontraktsiooni molekulaarsetel mehhanismidel palju ühist.

Skeletilihased

Skeletilihased on luu- ja lihaskonna süsteemi aktiivne osa. Vöötlihaste kontraktiilse aktiivsuse tulemusena viiakse läbi:

• keha liikumine ruumis;
• kehaosade liikumine üksteise suhtes;
• asendi säilitamine.

Lisaks on lihaste kokkutõmbumise üks tulemusi soojuse tootmine.

Inimestel, nagu kõigil selgroogsetel, on skeletilihaskiududel neli olulist omadust:

• erutuvus- võime reageerida ärritusele ioonide läbilaskvuse ja membraanipotentsiaali muutustega;
• juhtivus - võime juhtida aktsioonipotentsiaali kogu kiu ulatuses;
• kontraktiilsus- võime pinget erutatuna kokku tõmmata või muuta;
• elastsus - võime arendada pinget venitamisel.

Looduslikes tingimustes põhjustavad erutust ja lihaste kokkutõmbumist närvikeskustest lihaskiududesse tulevad närviimpulsid. Eksperimendis erutuse tekitamiseks kasutatakse elektrilist stimulatsiooni.

Lihase enda otsest ärritust nimetatakse otseseks ärrituseks; motoorse närvi ärritus, mis põhjustab selle närvi poolt innerveeritud lihase kokkutõmbumist (neuromotoorsete üksuste erutus), on kaudne ärritus. Kuna lihaskoe erutuvus on närvikoe omast madalam, ei anna ärritavate vooluelektroodide paigaldamine otse lihasele veel otsest ärritust: vool, mis levib läbi lihaskoe, mõjub eelkõige lihaskoe otstele. selles paiknevaid motoorseid närve ja erutab neid, mis viib kokkutõmbumiseni.lihased.

Lühendite tüübid

Isotooniline režiim Kontraktsioon, mille korral lihas lüheneb ilma pingeta. Selline kokkutõmbumine on võimalik kõõluse ületamisel või rebenemisel või katses isoleeritud (kehast eemaldatud) lihasega.

Isomeetriline režiim- kontraktsioon, mille käigus lihaspinge suureneb ja pikkus praktiliselt ei vähene. Sellist vähenemist täheldatakse talumatu koormuse tõstmisel.

aukstooniline režiim - kokkutõmbumine, mille käigus lihase pikkus muutub selle pinge suurenedes. Sellist vähendamise viisi täheldatakse inimtööjõu elluviimisel. Kui lihase pinge selle lühenemisel suureneb, siis sellist kokkutõmbumist nimetatakse kontsentriline ja lihaspinge suurenemise korral selle pikendamise ajal (näiteks koormuse aeglaselt langetamisel) - ekstsentriline kontraktsioon.

Lihaste kontraktsioonide tüübid

Lihaskontraktsioone on kahte tüüpi: üksikud ja teetanilised.

Kui lihast ärritab üksainus stiimul, toimub üks lihase kontraktsioon, milles eristatakse kolme järgmist faasi:

• varjatud perioodi faas - algab stiimuli toime algusest ja enne lühenemise algust;
• kontraktsioonifaas (lühenemise faas) - kontraktsiooni algusest kuni maksimaalse väärtuseni;
• lõõgastusfaas - maksimaalsest kontraktsioonist kuni esialgse pikkuseni.

ühe lihase kontraktsioon täheldatakse siis, kui lihasesse siseneb lühike motoorsete neuronite närviimpulsside seeria. Seda saab esile kutsuda, rakendades lihasele väga lühikest (umbes 1 ms) elektrilist stiimulit. Lihaste kokkutõmbumine algab kuni 10 ms pikkuse ajaintervalli pärast stiimuliga kokkupuute algusest, mida nimetatakse varjatud perioodiks (joonis 1). Seejärel areneb lühenemine (kestus umbes 30-50 ms) ja lõõgastus (50-60 ms). Ühe lihase kokkutõmbumise kogu tsükkel võtab aega keskmiselt 0,1 s.

Ühe kontraktsiooni kestus erinevates lihastes võib olla väga erinev ja sõltub lihase funktsionaalsest seisundist. Kontraktsioonide ja eriti lõdvestumise kiirus aeglustub koos lihasväsimuse tekkega. Kiired lihased, millel on lühiajaline ühekordne kontraktsioon, hõlmavad silmamuna, silmalaugude, keskkõrva jne väliseid lihaseid.

Kui võrrelda aktsioonipotentsiaali tekke dünaamikat lihaskiu membraanil ja selle üksikut kontraktsiooni, siis on näha, et aktsioonipotentsiaal tekib alati varem ja alles siis hakkab arenema lühenemine, mis jätkub ka pärast membraani repolarisatsiooni lõppu. Tuletame meelde, et lihaskiu aktsioonipotentsiaali depolarisatsioonifaasi kestus on 3-5 ms. Selle aja jooksul on kiudmembraan absoluutse tulekindluse seisundis, millele järgneb selle erutuvuse taastamine. Kuna lühendamise kestus on umbes 50 ms, siis on ilmne, et ka lühendamise ajal peab lihaskiu membraan taastama erutuvuse ja suutma uuele löögile mittetäieliku taustal kokkutõmbega reageerida. Järelikult saab lihaskiudude areneva kontraktsiooni taustal nende membraanil esile kutsuda uued erutustsüklid, millele järgneb kontraktsioonide summeerimine. Seda kumulatiivset kontraktsiooni nimetatakse teetaniline(teetanus). Seda võib täheldada ühes kius ja terves lihases. Siiski on teetanilise kontraktsiooni mehhanismil looduslikes tingimustes terves lihases teatud iseärasused.

Riis. Joonis 1. Skeletilihaskiu üksikute ergastus- ja kontraktsioonitsüklite ajasuhted: a - aktsioonipotentsiaali, Ca 2+ sarkoplasmasse vabanemise ja kontraktsiooni suhe: 1 - latentne periood; 2 - lühendamine; 3 - lõõgastus; b - aktsioonipotentsiaali, erutuvuse ja kokkutõmbumise suhe

Teetanus nimetatakse lihaskontraktsiooniks, mis tuleneb selle motoorsete üksuste kontraktsioonide liitmisest, mis on põhjustatud paljude närviimpulsside tarnimisest neile motoorsete neuronite poolt, mis seda lihast innerveerivad. Paljude motoorsete üksuste kiudude kokkutõmbumisel tehtud jõupingutuste liitmine aitab kaasa teetanilise lihase kontraktsiooni tugevuse suurenemisele ja mõjutab kontraktsiooni kestust.

Eristama sakiline ja sile teetanus. Lihase hambulise teetanuse vaatlemiseks katses stimuleeritakse seda elektrivoolu impulssidega sellise sagedusega, et iga järgnev stiimul rakendub pärast lühenemisfaasi, kuid isegi enne lõõgastumise lõppu. Sujuv teetaniline kontraktsioon areneb sagedasemate stiimulite korral, kui lihaste lühenemise ajal rakendatakse järgnevaid stiimuleid. Näiteks kui lihaste lühenemise faas on 50 ms, lõdvestusfaas 60 ms, siis teetanuse hambuliseks saamiseks on vaja seda lihast stimuleerida sagedusega 9-19 Hz, sileda saamiseks - koos. sagedusega vähemalt 20 Hz.

Erinevat tüüpi teetanuse demonstreerimiseks kasutatakse tavaliselt graafilist registreerimist isoleeritud konna gastrocnemius lihase kontraktsioonide kümograafial. Sellise kymogrammi näide on näidatud joonisel fig. 2.

Kui võrrelda erinevatel lihaskontraktsioonidel arenevaid amplituute ja jõude, siis on need ühe kontraktsiooni korral minimaalsed, sakilise teetanuse korral suurenevad ja sujuva teetanilise kontraktsiooni korral muutuvad maksimaalseks. Üheks sellise kontraktsiooni amplituudi ja jõu suurenemise põhjuseks on see, et AP tekke sageduse suurenemisega lihaskiudude membraanil kaasneb Ca 2+ ioonide väljundi suurenemine ja akumuleerumine lihaskiudude sarkoplasmas. lihaskiud, mis aitab kaasa kontraktiilsete valkude tõhusamale interaktsioonile.

Riis. 2. Kontraktsiooni amplituudi sõltuvus stimulatsiooni sagedusest (stiimulite tugevus ja kestus ei muutu)

Stimulatsiooni sageduse järkjärgulise suurenemisega suureneb lihaste kokkutõmbumise tugevus ja amplituudi ainult teatud piirini - vastuse optimumini. Stimulatsiooni sagedust, mis põhjustab lihase suurimat reaktsiooni, nimetatakse optimaalseks. Stimulatsiooni sageduse edasise suurenemisega kaasneb kontraktsiooni amplituudi ja tugevuse vähenemine. Seda nähtust nimetatakse reaktsiooni pessimumiks ja ärrituse sagedusi, mis ületavad optimaalset väärtust, nimetatakse pessimaalseks. Optimumi ja pessimumi nähtused avastas N.E. Vvedenski.

Looduslikes tingimustes tagab motoorsete neuronite lihasesse saatmise sagedus ja viis asünkroonse kaasatuse suurema või väiksema (olenevalt aktiivsete motoorsete neuronite arvust) arvu lihaste motoorsete üksuste kokkutõmbumise protsessis ja nende summeerimises. nende kokkutõmbed. Kere tervikliku lihase kontraktsioon, kuid oma olemuselt on lähedane sile-teganilisele.

Lihaste funktsionaalse aktiivsuse iseloomustamiseks hinnatakse nende toonuse ja kontraktsiooni näitajaid. Lihastoonus on pikaajalise pideva pinge seisund, mis on põhjustatud selle motoorsete üksuste vahelduvast asünkroonsest kokkutõmbumisest. Samal ajal ei pruugi lihase nähtav lühenemine olla tingitud asjaolust, et mitte kõik ei osale kontraktsiooniprotsessis, vaid ainult need motoorsed üksused, mille omadused on kõige paremini kohandatud lihastoonuse säilitamiseks ja nende asünkroonse kontraktsiooni tugevus on lihase lühendamiseks ei piisa. Selliste ühikute vähenemist lõdvestumiselt pingele üleminekul või pingeastme muutmisel nimetatakse toonik. Lühiajalisi kontraktsioone, millega kaasneb lihase tugevuse ja pikkuse muutus, nimetatakse füüsiline.

Lihaste kokkutõmbumise mehhanism

Lihaskiud on mitmetuumaline struktuur, mida ümbritseb membraan ja mis sisaldab spetsiaalset kontraktiilset aparaati. - müofibrillid(joonis 3). Lisaks on lihaskiudude kõige olulisemad komponendid mitokondrid, pikituubulite süsteemid - sarkoplasmaatiline retikulum ja põiktorukeste süsteem - T-süsteem.

Riis. 3. Lihaskiu struktuur

Lihasraku kontraktiilse aparaadi funktsionaalne üksus on sarkomeer Müofibrill koosneb sarkomeeridest. Sarkomeerid on üksteisest eraldatud Z-plaatidega (joonis 4). Müofibrillide sarkomeerid paiknevad järjestikku, seetõttu põhjustavad kapkomeeride kokkutõmbed müofibrillide kokkutõmbumist ja lihaskiudude üldist lühenemist.

Riis. 4. Sarkomeeri ehituse skeem

Lihaskiudude struktuuri uurimine valgusmikroskoobis võimaldas paljastada nende põikitriibutuse, mis on tingitud protofibrillide kontraktiilsete valkude erilisest korraldusest - aktiin ja müosiin. Aktiini filamente esindab topeltkeermega keerdus, mille samm on umbes 36,5 nm. Need 1 μm pikkused ja 6–8 nm läbimõõduga niidid, mida on umbes 2000, on ühest otsast kinnitatud Z-plaadi külge. Filamentsed valgumolekulid paiknevad aktiinispiraali pikisuunalistes soontes. tropomüosiin. 40 nm sammuga seotakse tropomüosiini molekuli külge teise valgu molekul - troponiin.

Troponiin ja tropomüosiin mängivad (vt joonis 3) olulist rolli aktiini ja müosiini vahelise koostoime mehhanismides. Sarkomeeri keskel, aktiini filamentide vahel, on umbes 1,6 µm pikkused paksud müosiini filamendid. Polariseerivas mikroskoobis on see ala nähtav tumeda värvi ribana (kaksikmurdmise tõttu) - anisotroopne A-ketas. Selle keskel on näha heledam triip. H. Puhkeseisundis aktiini filamente pole. Mõlemal poolel AGA- plaadi nähtav valgus isotroopne triibud - I-plaadid moodustatud aktiini filamentidest.

Puhkeolekus kattuvad aktiini ja müosiini filamendid üksteisega veidi, nii et sarkomeeri kogupikkus on umbes 2,5 µm. Keskel elektronmikroskoopia all H- tuvastatud triibud M-rida - struktuur, mis hoiab müosiini filamente.

Elektronmikroskoopia näitab, et müosiini filamendi külgedelt leitakse eendeid, mida nimetatakse põikisildadeks. Tänapäevaste kontseptsioonide kohaselt koosneb põiksild peast ja kaelast. Pea omandab aktiiniga seondumisel väljendunud ATPaasi aktiivsuse. Kael on elastsete omadustega ja pöörlev, nii et ristsilla pea saab pöörata ümber oma telje.

Kaasaegse tehnoloogia kasutamine on võimaldanud kindlaks teha, et piirkonnas rakendatakse elektrilist stimulatsiooni Z-lamina viib sarkomeeri kokkutõmbumiseni, samas kui ketta tsooni suurus AGA ei muutu ja triipude suurus H ja I väheneb. Need tähelepanekud näitasid, et müosiini filamentide pikkus ei muutu. Sarnased tulemused saadi ka lihase venitamisel – aktiini ja müosiini filamentide sisemine pikkus ei muutunud. Katsete tulemusena selgus, et aktiini ja müosiini filamentide vastastikuse kattumise piirkond muutus. Need faktid võimaldasid X. ja A. Huxley välja pakkuda libisevate niitide teooria, et selgitada lihaste kokkutõmbumise mehhanismi. Selle teooria kohaselt väheneb sarkomeeri suurus kontraktsiooni ajal õhukeste aktiini filamentide aktiivse liikumise tõttu paksude müosiini filamentide suhtes.

Riis. 5. A - sarkoplasmaatilise retikulumi, põiktorukeste ja müofibrillide organiseerimise skeem. B – üksiku skeletilihaskiu põiktorukeste ja sarkoplasmaatilise retikulumi anatoomilise struktuuri skeem. B - sarkoplasmaatilise retikulumi roll skeletilihaste kokkutõmbumise mehhanismis

Lihaskiudude kokkutõmbumise protsessis toimuvad selles järgmised muutused:

elektrokeemiline muundamine:

• PD genereerimine;
• PD jaotus T-süsteemi kaudu;
• T-süsteemi ja sarkoplasmaatilise retikulumi kontakttsooni elektriline stimulatsioon, ensüümide aktiveerimine, inositooltrifosfaadi moodustumine, Ca 2+ ioonide intratsellulaarse kontsentratsiooni suurenemine;

kemomehaaniline transformatsioon:

• Ca 2+ ioonide interaktsioon troponiiniga, tropomüosiini konfiguratsiooni muutused, aktiivsete keskuste vabanemine aktiini filamentidel;
• müosiinipea koostoime aktiiniga, pea pöörlemine ja elastse veojõu arendamine;
• aktiini ja müosiini filamentide libisemine üksteise suhtes, sarkomeeri suuruse vähenemine, pinge tekkimine või lihaskiu lühenemine.

Ergastuse ülekanne motoorselt neuronilt lihaskiule toimub vahendaja atsetüülkoliini (ACh) abil. ACh interaktsioon otsaplaadi kolinergilise retseptoriga viib ACh-tundlike kanalite aktiveerumiseni ja otsaplaadi potentsiaali ilmnemiseni, mis võib ulatuda 60 mV-ni. Sel juhul muutub otsaplaadi piirkond lihaskiudude membraani ärritava voolu allikaks ja rakumembraani otsaplaadiga külgnevates piirkondades tekib AP, mis levib mõlemas suunas kiirusega ligikaudu 3–5 m/s temperatuuril 36 °C. Seega on PD genereerimine esimene etapp lihaste kokkutõmbumine.

Teine etapp on AP levik lihaskiu sees mööda tuubulite põiksüsteemi, mis toimib ühenduslülina lihaskiu pinnamembraani ja kontraktiilse aparaadi vahel. G-süsteem on tihedas kontaktis kahe naabersarkomeeri sarkoplasmaatilise retikulumi terminaalsete tsisternidega. Kontaktkoha elektriline stimulatsioon viib kontaktkohas paiknevate ensüümide aktiveerumiseni ja inositooltrifosfaadi moodustumiseni. Inositooltrifosfaat aktiveerib terminaalsete tsisternide membraanide kaltsiumikanalid, mis toob kaasa Ca 2+ ioonide vabanemise tsisternidest ja Ca 2+ rakusisese kontsentratsiooni tõusu 10 -7-lt 10 -5-le. Peamine on protsess, mis viib Ca 2+ rakusisese kontsentratsiooni suurenemiseni kolmas etapp lihaste kokkutõmbumine. Seega muudetakse esimestel etappidel elektriline AP signaal keemiliseks, st Ca 2+ rakusisene kontsentratsioon suureneb. elektrokeemiline muundamine(joonis 6).

Ca 2+ ioonide intratsellulaarse kontsentratsiooni suurenemisega seonduvad nad troponiiniga, mis muudab tropomüosiini konfiguratsiooni. Viimane seguneb aktiini filamentide vaheliseks sooneks; samal ajal avatakse aktiini filamentidel kohad, millega müosiini ristsillad saavad suhelda. See tropomüosiini nihkumine on tingitud muutusest troponiini valgu molekuli moodustumisel Ca 2+ sidumisel. Seetõttu on Ca 2+ ioonide osalemine aktiini ja müosiini interaktsiooni mehhanismis vahendatud troponiini ja tropomüosiini kaudu. Sellel viisil, neljas etapp elektromehaaniline sidumine on kaltsiumi interaktsioon troponiiniga ja tropomüosiini nihkumine.

peal viies etapp elektromehaaniline konjugatsioon, müosiini põiki silla pea on kinnitatud aktiini silla külge - esimesele mitmest järjestikusest stabiilsest keskusest. Sel juhul pöörleb müosiinipea ümber oma telje, kuna sellel on mitu aktiivset keskust, mis interakteeruvad järjestikku aktiini filamendi vastavate keskustega. Pea pöörlemine toob kaasa ristsilla kaela elastse elastse veojõu suurenemise ja pinge suurenemise. Kontraktsiooni arenguprotsessis on igal konkreetsel hetkel üks osa ristsildade peadest ühenduses aktiini filamendiga, teine ​​on vaba, s.o. on nende interaktsiooni jada aktiini filamendiga. See tagab redutseerimisprotsessi sujuvuse. Neljandas ja viiendas etapis toimub kemomehaaniline transformatsioon.

Riis. 6. Elektromehaanilised protsessid lihases

Ristsildade peade ühendamise ja lahtiühendamise järjestikune reaktsioon aktiini filamendiga viib õhukeste ja paksude filamentide üksteise suhtes libisemiseni ning sarkomeeri suuruse ja lihase kogupikkuse vähenemiseni, mis on kuues etapp. Kirjeldatud protsesside tervik on libisevate keermete teooria olemus (joon. 7).

Algselt arvati, et Ca 2+ ioonid toimivad müosiini ATPaasi aktiivsuse kofaktorina. Edasised uuringud lükkasid selle oletuse ümber. Puhkelihases ei oma aktiinil ja müosiinil ATPaasi aktiivsust praktiliselt. Müosiinipea kinnitumine aktiini külge põhjustab peas ATPaasi aktiivsuse omandamist.

Riis. 7. Libisevate keermete teooria illustratsioon:

A. a - lihased puhkeolekus: A. 6 - lihased kontraktsiooni ajal: B. a. b — müosiinipea aktiivsete tsentrite ja aktiivse hõõgniidi tsentrite järjestikune interaktsioon

ATP hüdrolüüsiga müosiinipea ATPaasi keskmes kaasneb viimase konformatsiooni muutumine ja selle üleminek uude, suure energiaga olekusse. Müosiinipea uuesti kinnitumine aktiini filamendi uude keskmesse viib taas pea pöörlemiseni, mille annab sellesse salvestunud energia. Igas müosiinipea aktiiniga ühendamise ja lahtiühendamise tsüklis jagatakse üks ATP molekul silla kohta. Pöörlemiskiiruse määrab ATP lõhenemiskiirus. Ilmselgelt tarbivad kiired faasilised kiud ajaühikus oluliselt rohkem ATP-d ja salvestavad tooniku laadimisel vähem keemilist energiat kui aeglased kiud. Seega tagab ATP kemomehaanilise transformatsiooni käigus müosiinipea ja aktiini filamendi eraldamise ning annab energiat müosiinipea edasiseks interaktsiooniks aktiini filamendi teise lõiguga. Need reaktsioonid on võimalikud kaltsiumi kontsentratsioonidel üle 10–6 M.

Kirjeldatud lihaskiudude lühenemise mehhanismid viitavad sellele, et lõõgastumiseks on eelkõige vaja alandada Ca 2+ ioonide kontsentratsiooni. Eksperimentaalselt on tõestatud, et sarkoplasmaatilisel retikulumil on spetsiaalne mehhanism - kaltsiumipump, mis tagastab kaltsiumi aktiivselt tsisternidesse. Kaltsiumipumba aktiveerimine toimub anorgaanilise fosfaadi abil, mis moodustub ATP hüdrolüüsi käigus. ja kaltsiumipumba energiavarustus on samuti tingitud ATP hüdrolüüsi käigus tekkivast energiast. Seega on ATP tähtsuselt teine ​​tegur, mis on lõõgastusprotsessi jaoks hädavajalik. Mõnda aega pärast surma jäävad lihased pehmeks, kuna motoorsete neuronite tooniline mõju lakkab. Siis langeb ATP kontsentratsioon alla kriitilise piiri ja kaob võimalus müosiinipea eraldumiseks aktiini filamendist. Esineb rigor mortis’e nähtus koos skeletilihaste tugeva jäikusega.

• ATP hüdrolüüs müosiini toimel, mille tulemusena saavad ristsillad energiat tõmbejõu arendamiseks
• ATP seondumine müosiiniga, mis viib aktiiniga seotud ristsildade eraldumiseni, mis loob võimaluse nende tegevustsüklit korrata
• ATP hüdrolüüs (Ca 2+ -ATPaasi toimel) Ca 2+ ioonide aktiivseks transportimiseks sarkoplasmaatilise retikulumi lateraalsetesse tsisternidesse, mis vähendab tsütoplasmaatilise kaltsiumi taset algtasemele

Kontraktsioonide summeerimine ja teetanus

Kui katses mõjutavad üksikut lihaskiudu või kogu lihast kaks tugevat, üksteisele kiiresti järgnevat stiimulit, siis on tekkivate kontraktsioonide amplituud suurem kui maksimaalne kokkutõmbumine ühe stiimuli ajal. Näib, et esimese ja teise stiimuli põhjustatud kontraktiilsed mõjud ühinevad. Seda nähtust nimetatakse kontraktsioonide liitmiseks (joonis 8). Seda täheldatakse nii lihase otsese kui ka kaudse stimulatsiooni korral.

Summeerimise toimumiseks on vajalik, et stiimulite vaheline intervall oleks teatud kestusega: see peab olema pikem kui refraktaarne periood, vastasel juhul ei reageerita teisele stiimulile ja lühem kui kogu kontraktiilse reaktsiooni kestus, nii et et teine ​​stiimul mõjub lihasele enne, kui see jõuab pärast esimest ärritust lõõgastuda. Sel juhul on võimalikud kaks võimalust: kui teine ​​ärritus saabub siis, kui lihas on juba hakanud lõdvestuma, siis müograafilisel kõveral eraldab selle kontraktsiooni ülaosa esimese ülaosast lohk (joonis 8, G-G); kui teine ​​ärritus toimib siis, kui esimene ei ole veel haripunkti saavutanud, siis teine ​​kokkutõmbumine sulandub täielikult esimesega, moodustades ühtse kokkuvõtliku tipu (joonis 8, A-B).

Mõelge summeerimisele konna gastrocnemius lihases. Selle kokkutõmbumise tõusva faasi kestus on ligikaudu 0,05 s. Seetõttu on selle lihase kontraktsioonide esimest tüüpi liitmise (mittetäieliku summeerimise) reprodutseerimiseks vajalik, et intervall esimese ja teise stiimuli vahel oleks suurem kui 0,05 s, ning saada teist tüüpi summeerimine (nn. täielik summeerimine) - vähem kui 0,05 s.

Riis. 8. Lihaskontraktsioonide summeerimine 8 reaktsioon kahele stiimulile. Ajatempel 20 ms

Nii täieliku kui ka mittetäieliku kokkutõmbumise korral aktsioonipotentsiaale ei summeerita.

Teetanuse lihased

Kui rütmilised stiimulid mõjuvad üksikule lihaskiule või kogu lihasele sellise sagedusega, et nende mõju summeerub, tekib tugev ja pikaajaline lihaskontraktsioon, nn. teetaniline kontraktsioon, või teetanus.

Selle amplituud võib olla mitu korda suurem kui maksimaalse üksiku kokkutõmbumise väärtus. Suhteliselt madala ärritussagedusega esineb dentate teetanus, kõrgel sagedusel - sile teetanus(joonis 9). Teetanuse korral summeeritakse lihase kontraktiilsed reaktsioonid ning selle elektrilisi reaktsioone – aktsioonipotentsiaale – ei summeerita (joonis 10) ning nende sagedus vastab teetanust põhjustanud rütmilise stimulatsiooni sagedusele.

Pärast teetanilise ärrituse lõppemist lõdvestuvad kiud täielikult, nende esialgne pikkus taastub alles mõne aja möödudes. Seda nähtust nimetatakse post-teetaniliseks ehk residuaalseks kontraktuuriks.

Mida kiiremini lihaskiud kokku tõmbuvad ja lõdvestuvad, seda suurem on teetanuse tekkeks ärritus.

Lihaste väsimus

Väsimus on ajutine raku, organi või kogu organismi efektiivsuse langus, mis tekib töö tulemusena ja kaob pärast puhkust.

Riis. 9. Eraldatud lihaskiu teetanus (F.N. Serkovi järgi):

a - dentate teetanus stimulatsiooni sagedusel 18 Hz; 6 - sile teetanus ärritussagedusega 35 Hz; M - müogramm; R - ärrituse märk; B - ajatempel 1 s

Riis. 10. Kassi skeletilihaste kontraktsiooni (a) ja elektrilise aktiivsuse (6) samaaegne registreerimine teetanilise närvi stimulatsiooni ajal

Kui isoleeritud lihast, millele on riputatud väike koormus, ärritavad pikka aega rütmilised elektrilised stiimulid, siis väheneb selle kontraktsioonide amplituud järk-järgult nullini. Samal ajal registreeritud kontraktsioonide rekordit nimetatakse väsimuskõveraks.

Eraldatud lihase jõudluse vähenemine selle pikaajalise ärrituse ajal on tingitud kahest peamisest põhjusest:

• kontraktsiooni ajal kogunevad lihasesse ainevahetusproduktid (fosfor-, piimhapped jne), mis mõjuvad lihaskiudude töövõimele pärssivalt. Mõned neist toodetest, nagu ka kaaliumiioonid, difundeeruvad kiududest peritsellulaarsesse ruumi ja avaldavad pärssivat mõju ergastava membraani võimele tekitada aktsioonipotentsiaale. Kui väikeses koguses Ringeri vedelikku asetatud, pikka aega ärritav isoleeritud lihas väsib täielikult, piisab lihaste kontraktsioonide taastamiseks pesulahuse vahetamisest;
• lihase energiavarude järkjärguline ammendumine. Eraldatud lihase pikaajalisel tööl vähenevad glükogeenivarud järsult, mille tagajärjel katkeb kokkutõmbumiseks vajalik ATP ja kreatiinfosfaadi resünteesi protsess.

NEED. Sechenov (1903) näitas, et inimese käe väsinud lihaste töövõime taastumine pärast pikka koormuse tõstmise tööd kiireneb, kui puhkeperioodil tehakse tööd teise käega. Väsinud käe lihaste töövõime ajutine taastamine on saavutatav ka muud tüüpi motoorset aktiivsust kasutades, näiteks alajäsemete lihaste tööga. Erinevalt lihtsast puhkamisest pani sellisele puhkusele nimeks I.M. Sechenov aktiivne. Ta pidas neid fakte tõendiks, et väsimus tekib eelkõige närvikeskustes.

Lihaste kokkutõmbumine põhineb aktiinist ja müosiinist moodustatud kahe filamendisüsteemi vastastikusel liikumisel. ATP hüdrolüüsitakse aktiivses kohas, mis asub müosiinipeades. Hüdrolüüsiga kaasneb müosiinipeade orientatsiooni muutus ja aktiini filamentide liikumine. Kontraktsiooni reguleerimise tagavad spetsiaalsed Ca-siduvad valgud, mis paiknevad aktiini või müosiini filamentidel.

Sissejuhatus. Erinevad liikuvuse vormid on iseloomulikud peaaegu kõigile elusorganismidele. Loomadel on evolutsiooni käigus tekkinud spetsiaalsed rakud ja koed, mille põhiülesanne on tekitada liikumist. Lihased on väga spetsiifilised organid, mis on võimelised tekitama mehaanilisi jõude ja tagama loomade liikumise ruumis ATP hüdrolüüsi tõttu. Samal ajal põhineb peaaegu igat tüüpi lihaste kokkutõmbumine kahe valgufilamentide (filamentide) süsteemi liikumisel, mis on ehitatud peamiselt aktiinist ja müosiinist.

Lihaste ultrastruktuur. ATP energia ülitõhusaks muundamiseks mehaaniliseks tööks peab lihastel olema rangelt korrastatud struktuur. Tõepoolest, kontraktiilsete valkude pakkimine lihasesse on võrreldav aatomite ja molekulide pakkimisega kristalli. Mõelge skeletilihaste struktuurile (joonis 1).

Fusiform lihas koosneb lihaskiudude kimpudest. Küps lihaskiud on peaaegu täielikult täidetud müofibrillidega - silindriliste moodustistega, mis on moodustunud kattuvate paksude ja õhukeste filamentide süsteemist, mille moodustavad kontraktiilsed valgud. Skeletilihaste müofibrillides toimub regulaarne heledamate ja tumedamate alade vaheldumine. Seetõttu nimetatakse skeletilihaseid sageli vöötlihaseks. Müofibrill koosneb identsetest korduvatest elementidest, nn sarkomeeridest (vt joonis 1). Sarkomeer on mõlemalt poolt piiratud Z-ketastega. Nende ketaste külge kinnitatakse mõlemalt poolt õhukesed aktiininiidid. Aktiinfilamentidel on väike tihedus ja seetõttu paistavad nad mikroskoobi all läbipaistvamad või heledamad. Neid läbipaistvaid heledaid alasid, mis asuvad Z-ketta mõlemal küljel, nimetatakse isotroopseteks tsoonideks (või I-tsoonideks) (vt joonis 1). Sarkomeeri keskel on paksude filamentide süsteem, mis on ehitatud peamiselt teisest kontraktiilsest valgust, müosiinist. See sarkomeeri osa on tihedam ja moodustab tumedama anisotroopse tsooni (või A-tsooni).

Kontraktsiooni ajal muutub müosiin võimeliseks aktiiniga suhtlema ja hakkab aktiini filamente sarkomeeri keskpunkti suunas tõmbama (vt joonis 1). Selle liikumise tulemusena väheneb iga sarkomeeri ja kogu lihase pikkus tervikuna. Oluline on märkida, et sellise liikumise tekitamise süsteemiga, mida nimetatakse libisevate filamentide süsteemiks, muutub filamentide (ei aktiini filamentide ega müosiini filamentide) pikkus. Lühenemine on tingitud ainult niitide liikumisest üksteise suhtes.

Lihase kontraktsiooni alguse signaaliks on Ca 2+ kontsentratsiooni tõus rakus. Kaltsiumi kontsentratsiooni rakus reguleerivad spetsiaalsed kaltsiumipumbad, mis on ehitatud välismembraani ja sarkoplasmaatilise retikulumi membraani, mis keerdub ümber müofibrillide (vt joonis 1). Ülaltoodud diagramm annab üldise ettekujutuse lihaste kokkutõmbumise mehhanismist. Selle protsessi molekulaarse aluse mõistmiseks pöördume peamiste kontraktiilsete valkude omaduste analüüsi poole.

Aktiini struktuur ja omadused. Aktiini avastas 1948. aastal Ungari biokeemik Bruno Straub. See valk sai oma nime tänu oma võimele aktiveerida (seega aktiini) müosiini poolt katalüüsitud ATP hüdrolüüsi. Aktiin on üks üldlevinud valke, mida leidub peaaegu kõigis looma- ja taimerakkudes. See valk on väga konservatiivne.

Aktiini monomeerid (mida sageli nimetatakse G-aktiiniks, see tähendab globulaarseks aktiiniks) võivad üksteisega suhelda, moodustades nn fibrillaarse (või F-aktiini). Polümerisatsiooniprotsessi saab käivitada ühe- või kahevalentsete katioonide kontsentratsiooni suurendamise või spetsiaalsete valkude lisamisega. Polümerisatsiooniprotsess muutub võimalikuks, kuna aktiini monomeerid tunnevad üksteist ära ja moodustavad molekulidevahelisi kontakte.

Polümeriseeritud aktiin näeb välja nagu kaks üksteise suhtes keerdunud helmeste kiudu, kus iga helmes on aktiini monomeer (joonis 2a). Aktiini molekul pole kaugeltki sümmeetriline, nii et selle asümmeetria nähtavaks muutmiseks on osa aktiini sfäärist joonisel fig. 2b on varjutatud. Aktiini polümerisatsiooniprotsess on rangelt korraldatud ja aktiini monomeerid pakitakse polümeeri ainult teatud orientatsioonis. Seetõttu on polümeeri ühes otsas paiknevad monomeerid silmitsi lahustiga ühe, näiteks tumeda otsaga, samas kui polümeeri teises otsas asuvad monomeerid on teise (hele) otsaga silmitsi lahustiga (joonis 2b). Monomeeri kinnitumise tõenäosus polümeeri tumedates ja heledates otstes on erinev. Polümeeri otsa, kus polümerisatsioonikiirus on suurem, nimetatakse plussotsaks ja polümeeri vastasotsa nimetatakse miinusotsaks.

Aktiin on ainulaadne ehitusmaterjal, mida rakk kasutab laialdaselt tsütoskeleti ja kontraktiilse aparaadi erinevate elementide ehitamiseks. Aktiini kasutamine raku ehitusvajadusteks tuleneb sellest, et aktiini polümerisatsiooni ja depolümerisatsiooni protsesse saab hõlpsasti reguleerida spetsiaalsete aktiiniga seonduvate valkude abil. On valke, mis seonduvad monomeerse aktiiniga (näiteks profiliin, joonis 2b). Need valgud, olles kompleksis globulaarse aktiiniga, takistavad selle polümerisatsiooni. On olemas spetsiaalsed valgud, mis nagu käärid lõikavad juba tekkinud aktiini filamendid lühemateks kildudeks. Mõned valgud seonduvad eelistatavalt ja moodustavad polümeerse aktiini pluss-otsa kaane ("kork" ingliskeelsest sõnast "cap", cap). Teised valgud katavad aktiini miinusotsa. On valke, mis suudavad juba moodustunud aktiini filamente ristsiduda. Sel juhul moodustuvad kas jämedasilmalised painduvad võrgud või järjestatud jäigad aktiinifilamentide kimbud (joonis 2b).

Kõik sarkomeeris olevad aktiini filamendid on püsiva pikkuse ja õige orientatsiooniga, filamentide pluss-otsad asuvad Z-kettal ja miinusotsad sarkomeeri keskosas. Selle pakkimise tõttu on sarkomeeri vasakus ja paremas osas paiknevad aktiini filamentid vastupidise orientatsiooniga (see on näidatud joonisel fig 1 vastandsuunaliste linnukestena aktiini filamentidel joonise 1 alumises osas).

Müosiini struktuur ja omadused. Praeguseks on kirjeldatud mitut (üle kümne) erinevat tüüpi müosiini molekule. Vaatleme kõige põhjalikumalt uuritud skeletilihaste müosiini struktuuri (joonis 3a). Skeletilihaste müosiini molekul koosneb kuuest polüpeptiidahelast – kahest niinimetatud raskest müosiini ahelast ja neljast müosiini kergest ahelast (MLC). Need ahelad on üksteisega tugevalt seotud (mittekovalentsete sidemetega) ja moodustavad ühtse ansambli, mis on tegelikult müosiini molekul.

Müosiini rasketel ahelatel on suur molekulmass (200 000–250 000) ja väga asümmeetriline struktuur (joonis 3a). Igal raskel ketil on pikk spiraalne saba ja väike, kompaktne pirnikujuline pea. Müosiini raskete ahelate spiraalsed sabad on kokku keeratud nagu köis (joonis 3a). Sellel köiel on üsna suur jäikus ja seetõttu moodustab müosiini molekuli saba vardataolisi struktuure. Mitmest kohast on saba jäik struktuur katki. Nendes kohtades on nn hingepiirkonnad, mis tagavad müosiini molekuli üksikute osade liikuvuse. Hingepiirkonnad lõhustuvad kergesti proteolüütiliste (hüdrolüütiliste) ensüümide toimel, mis viib fragmentide moodustumiseni, mis säilitavad intaktse müosiini molekuli teatud omadused (joonis 3a).

Kaela piirkonnas, st müosiini raske ahela pirnikujulise pea üleminekul spiraalsele sabale, on lühikesed müosiini kerged ahelad molekulmassiga 18000–28000 (need ahelad on näidatud kaarena joonisel 3a). Müosiini raske ahela iga peaga on seotud üks reguleeriv (punane kaar) ja üks oluline (sinine kaar) müosiini kerge ahel. Mõlemad müosiini kerged ahelad mõjutavad ühel või teisel viisil müosiini võimet interakteeruda aktiiniga ja osalevad lihaste kontraktsioonide reguleerimises.

Vardakujulised sabad võivad elektrostaatilise vastasmõju tõttu üksteisega kokku kleepuda (joonis 3b). Sel juhul võivad müosiini molekulid paikneda üksteisega paralleelselt või antiparalleelselt (joonis 3b). Paralleelsed müosiini molekulid nihkuvad üksteise suhtes teatud vahemaa võrra. Sel juhul asuvad pead koos nendega seotud müosiini kergete ahelatega silindrilisel pinnal (moodustuvad müosiini molekulide sabadest) omapäraste eendite-tasandite kujul.

Skeletilihaste müosiini sabad võivad pakkida nii paralleelses kui ka antiparalleelses suunas. Paralleelse ja antiparalleelse pakkimise kombinatsioon viib nn bipolaarsete (st bipolaarsete) müosiini filamentide moodustumiseni (joonis 3b). Selline filament koosneb ligikaudu 300 müosiini molekulist. Pooled müosiini molekulidest pööravad pead ühes suunas ja teine ​​pool teises suunas. Bipolaarne müosiini filament asub sarkomeeri keskosas (vt joonis 1). Müosiinipeade erinevad suunad jämeda hõõgniidi vasakus ja paremas osas on näidatud joonise fig 1d alumises osas müosiini filamentide eri suundades olevate linnukestega. üks.

Skeletilihaste müosiini peamine "motoorne" osa on müosiini raske ahela pea koos sellega seotud müosiini kergete ahelatega. Müosiinipead võivad ulatuda aktiini filamentideni ja nendega kokku puutuda. Selliste kontaktide sulgemisel tekivad nn põikisildad, mis tekitavad tegelikult tõmbejõu ja tagavad aktiini filamentide libisemise müosiini suhtes. Proovime ette kujutada, kuidas selline üksik ristsild töötab.

Kaasaegsed ideed müosiinipeade toimimismehhanismi kohta. 1993. aastal õnnestus kristalliseerida isoleeritud ja spetsiaalselt modifitseeritud müosiinipäid. See võimaldas kindlaks teha müosiinipeade struktuuri ja sõnastada hüpoteese selle kohta, kuidas müosiinipead võivad aktiini filamente liigutada.

A - müosiini pea on orienteeritud nii, et aktiini sidumiskeskus (punane) asub paremal küljel. Selgelt on näha aktiini sidumiskeskuse kahte poolt (kaks lõualuu) eraldav vahe ("avatud suu"). (b) Müosiinipea ühe sammu skeem piki aktiini filamenti. Aktiini on kujutatud pallide vanikuna. Pea allosas on tühimik, mis eraldab aktiini sidumiskeskuse kahte osa. Adenosiin on tähistatud A-ga ja fosfaatrühmad on tähistatud väikeste ringidena. Olekute 5 ja 1 vahel on skemaatiliselt näidatud müosiini kaela ümberorienteerumine, mis toimub tõmbejõu tekitamisel (kuid muudatuste ja lihtsustustega)

Selgus, et müosiinipeas saab tuvastada kolm põhiosa (joonis 4). Müosiinipea N-terminaalne osa molekulmassiga umbes 25 000 (märgitud rohelisega joonisel 4a) moodustab ATP-d siduva keskuse. Müosiinipea keskosa molekulmassiga 50 000 (märgitud punasega joonisel 4a) sisaldab aktiini sidumissaiti. Lõpuks moodustab C-otsa osa molekulmassiga 20 000 (joonisel 4, a tähistatud lillaga) justkui kogu pea raami. See osa on ühendatud painduva liigendiga müosiini raskete ahelate spiraalse sabaga (vt joonis 4a). Müosiinipea C-otsa osa sisaldab sidumissaite müosiini oluliste (joonis 4a kollane) ja regulatoorsete (helelilla joonisel 4a) kergete ahelate jaoks. Müosiinipea üldjoontes meenutab "suuga" madu. Selle "suu" (joonisel 4a punase värvi) lõuad moodustavad aktiini siduva keskuse. Eeldatakse, et ATP hüdrolüüsi ajal see "suu" perioodiliselt avaneb ja sulgub. Olenevalt lõualuude asendist interakteerub müosiinipea enam-vähem tugevalt aktiiniga.

Mõelge ATP hüdrolüüsi tsüklile ja pea liikumisele mööda aktiini. Algseisundis ei ole müosiinipea ATP-ga küllastunud, "suu" on suletud, aktiini siduvad keskused ("lõuad") on kokku viidud ja pea interakteerub tugevalt aktiiniga. Sel juhul on spiraalne "kael" orienteeritud 45 nurga all? aktiini filamendi suhtes (olek 1 joonisel 4b). Kui ATP on seotud aktiivses keskuses, avaneb “suu”, suu kahel “lõual” asuvad aktiini sidumiskohad eemalduvad üksteisest, müosiini-aktiini sideme tugevus nõrgeneb ja pea dissotsieerub. aktiini filamendist (olek 2 joonisel 4b). ATP hüdrolüüs aktiinist dissotsieerunud müosiinipea aktiivses keskuses viib aktiivse keskpunkti lõhe sulgemiseni, lõualuude orientatsiooni muutumiseni ja spiraalikujulise kaela ümberorienteerumiseni. Pärast ATP hüdrolüüsi ADP-ks ja anorgaaniliseks fosfaadiks pööratakse kaela 45° võrra. ja asub aktiini filamendi pikiteljega risti (olek 3 joonisel 4b). Pärast kõiki neid sündmusi on müosiinipea taas võimeline aktiiniga suhtlema. Kui aga olekus 1 oli pea kontaktis aktiini monomeeriga ülalt teisena, siis nüüd haakub pea kaela pöörlemise tõttu ja interakteerub aktiini monomeeriga ülalt kolmandana (seisund 4 joonisel 4b). Aktiiniga kompleksi moodustumine põhjustab müosiinipeas struktuurseid muutusi. Need muutused võimaldavad väljutada anorgaanilist fosfaati müosiini aktiivsest keskusest, mis tekkis ATP hüdrolüüsi käigus. Samal ajal on kael ümber orienteeritud. See asub aktiini filamendi suhtes 45° nurga all ja ümberorienteerimisel tekib tõmbejõud (olek 5 joonisel 4b). Müosiini pea lükkab aktiini filamenti edasi. Pärast seda väljutatakse aktiivsest saidist teine ​​reaktsiooniprodukt ADP. Tsükkel sulgub ja pea läheb algolekusse (olek 1 joonisel 4, b).

Iga pea tekitab väikese tõmbejõu (mitu pikonewtonit). Kõik need väikesed pingutused aga summeeritakse ja selle tulemusena võivad lihasele tekkida päris suured pinged. Ilmselgelt, mida suurem on õhukeste ja paksude filamentide kattumise ala (st mida rohkem müosiinipäid saab aktiinifilamentide külge haakuda), seda rohkem jõudu saab lihas tekitada.

Lihaste kontraktsiooni reguleerimise mehhanismid. Lihas ei saaks oma funktsiooni täita, kui ta oleks pidevalt kokkutõmbunud olekus. Efektiivseks tööks on vajalik, et lihasel oleksid spetsiaalsed "lülitid", mis võimaldaksid müosiinipeal mööda aktiini filamenti kõndida ainult rangelt määratletud tingimustes (näiteks lihase keemilise või elektrilise stimulatsiooni ajal). Stimuleerimine viib lühiajalise Ca 2+ kontsentratsiooni suurenemiseni lihases 10-7-lt 10-5 M-le. Ca 2+ ioonid on signaal lihaste kontraktsiooni algatamiseks.

Seega nõuab kontraktsioonide reguleerimine spetsiaalseid regulatsioonisüsteeme, mis suudaksid jälgida Ca2+ kontsentratsiooni muutusi rakus. Reguleerivad valgud võivad paikneda õhukestel ja paksudel filamentidel või tsütoplasmas. Sõltuvalt sellest, kus Ca-siduvad valgud asuvad, on tavaks eristada kontraktiilse aktiivsuse regulatsiooni nn müosiini ja aktiini tüüpi.

Müosiini tüüpi kontraktiilse aktiivsuse reguleerimine. Lihtsaim viis müosiini reguleerimiseks on kirjeldatud mõnede molluskite lihaste puhul. Molluski müosiin ei erine oma koostiselt selgroogsete skeletilihaste müosiinist. Mõlemal juhul sisaldab müosiin kahte rasket ahelat (molekulmassiga 200 000–250 000) ja nelja kerget ahelat (molekulmassiga 18 000–28 000) (vt joonis 3). Arvatakse, et Ca 2+ puudumisel on kerged ahelad mähitud ümber müosiini raske ahela hingepiirkonna. Sel juhul on hinge liikuvus tugevalt piiratud. Müosiinipea ei saa võnkuda, see on jämeda hõõgniidi varre suhtes justkui ühes asendis külmunud (joonis 5a). Ilmselgelt ei saa pea selles olekus sooritada võnkuvaid (“harutavaid”) liigutusi ja selle tulemusena ei saa liigutada aktiini filamenti. Kui Ca 2+ on seotud, tekivad muutused müosiini kergete ja raskete ahelate struktuuris. Suurendab järsult liikuvust hingepiirkonnas. Nüüd, pärast ATP hüdrolüüsi, võib müosiinipea teha võnkuvaid liigutusi ja suruda aktiini filamente müosiini suhtes.

Selgroogsete silelihaseid (nagu vaskulaarsed lihased, emakas), aga ka mõningaid mittelihase liikuvuse vorme (trombotsüütide kuju muutus) iseloomustab nn müosiini tüüpi regulatsioon. Nagu molluskilihaste puhul, on ka müosiini tüüpi silelihaste regulatsioon seotud muutustega müosiini kergete ahelate struktuuris. Silelihaste puhul on see mehhanism aga märgatavalt keerulisem.

Selgus, et silelihaste müosiini filamentidega on seotud spetsiaalne ensüüm. Seda ensüümi nimetatakse müosiini kerge ahela kinaasiks (MLCK). Müosiini kerge ahela kinaas kuulub proteiinkinaaside rühma, ensüümid, mis on võimelised viima ATP terminaalse fosfaatjäägi üle valgu seriini või treoniini jääkide hüdroksürühmadesse. Puhkeseisundis, madala Ca 2+ kontsentratsiooniga tsütoplasmas, on müosiini kerge ahela kinaas inaktiivne. See on tingitud asjaolust, et ensüümi struktuuris on spetsiaalne inhibeeriv (blokeeriv aktiivsus) koht. Inhibeeriv sait siseneb ensüümi aktiivsesse keskusesse ja takistab selle vastasmõju tõelise substraadiga, blokeerib täielikult ensüümi aktiivsuse. Seega paneb ensüüm end justkui magama.

A - molluskite lihaste kontraktsiooni reguleerimise mehhanismi hüpoteetiline skeem. Üks müosiinipea koos kergete ahelate ja aktiini filamendiga on näidatud viie ringina. Lõdvestunud olekus (a) vähendavad müosiini kerged ahelad pead müosiini filamendi varrega ühendava hinge liikuvust. Pärast Ca 2+ sidumist (b) suureneb hinge liikuvus, müosiinipea teeb võnkuvaid liigutusi ja surub aktiini müosiini suhtes. B - selgroogsete silelihaste kontraktiilse aktiivsuse reguleerimise skeem. CaM, kalmuliin; MLCK, müosiini kerge ahela kinaas; MLCM, müosiini kerge ahela fosfataas; P-müosiin – fosforüülitud müosiin (kuid lihtsustuste ja muudatustega)

Silelihaste tsütoplasmas on spetsiaalne kalmoduliini valk, mille struktuuris on neli Ca sidumiskeskust. Ca 2+ sidumine põhjustab muutusi kalmoduliini struktuuris. Ca2+-küllastunud kalmoduliin on võimeline interakteeruma MLCK-ga (joonis 5b). Kalmoduliini istutamine viib inhibeeriva saidi eemaldamiseni aktiivsest keskusest ja müosiini kerge ahela kinaas näib ärkavat. Ensüüm hakkab oma substraati ära tundma ja kannab fosfaadijäägi ATP-st üle ühele (või kahele) seriinijäägile, mis asuvad müosiini reguleeriva kerge ahela N-otsa lähedal. Reguleeriva müosiini kerge ahela fosforüülimine põhjustab olulisi muutusi nii kerge ahela enda kui ka ilmselt müosiini raske ahela struktuuris selle kokkupuute piirkonnas kerge ahelaga. Alles pärast kerge ahela fosforüülimist on müosiin võimeline interakteeruma aktiiniga ja algab lihaste kontraktsioon (joonis 5b).

Kaltsiumi kontsentratsiooni vähenemine rakus põhjustab Ca 2+ ioonide dissotsiatsiooni kalmoduliini katiooni siduvatest keskustest. Kalmoduliin dissotsieerub müosiini kerge ahela kinaasist, mis kaotab koheselt oma aktiivsuse omaenda inhibeeriva peptiidi toimel ja vajub taas justkui talveunne. Kuid kuigi müosiini kerged ahelad on fosforüülitud, jätkab müosiin aktiini filamentide tsüklilist venitamist. Peade tsüklilise liikumise peatamiseks on vaja eemaldada müosiini reguleerivast kergest ahelast fosfaadijäägid. See protsess viiakse läbi teise ensüümi, niinimetatud müosiini kerge ahela fosfataasi (MLCM joonisel 5b) toimel. Fosfataas katalüüsib fosfaadijääkide kiiret eemaldamist müosiini reguleerivast kergest ahelast. Defosforüülitud müosiin ei suuda oma peas tsüklilisi liigutusi läbi viia ega aktiini filamente üles tõmmata. Lõõgastus saabub (joon. 5, B).

Seega nii molluskite lihastes kui ka selgroogsete silelihastes on regulatsiooni aluseks müosiini kergete ahelate struktuuri muutus.

Riis. 6. Lihase kontraktsiooni reguleerimise aktiini tüüpi struktuursed alused a) aktiini filament, millel on tropomüosiini molekulide pidev ahel, mis paikneb spiraali soontes; b – õhukeste ja jämedate filamentide vastastikune paigutus vööt- ja südamelihaste sarkomeeris. Suurendatud pilt aktiini filamendi osast lõdvestuse (c) ja kokkutõmbumise (d) olekus. TnC, TnI ja TnT troponiin C, troponiin I ja troponiin T. Tähed N, I ja C tähistavad vastavalt troponiin I N-terminaalset, inhibeerivat ja C-otsa osa (modifitseeritud ja lihtsustatud)

Lihaste kokkutõmbumise aktiini reguleerimine. Aktiiniga seotud kontraktiilse aktiivsuse reguleerimise mehhanism on tüüpiline selgroogsete vöötlihastele ja südamelihasele. Fibrillaarsed aktiini filamendid skeleti- ja südamelihastes näevad välja nagu kahekordne helmeste string (joonised 2 ja 6a). Aktiinihelmeste kiud on üksteise suhtes keerdunud, nii et hõõgniidi mõlemale küljele tekivad sooned. Sügaval nendes soontes on tugevalt keerdunud tropomüosiini valk. Iga tropomüosiini molekul koosneb kahest identsest (või väga sarnasest) polüpeptiidahelast, mis on üksteise suhtes keerdunud nagu tüdruku pats. Aktiini soones asuv vardakujuline tropomüosiini molekul puutub kokku seitsme aktiini monomeeriga. Iga tropomüosiini molekul interakteerub mitte ainult aktiini monomeeridega, vaid ka eelnevate ja järgnevate tropomüosiini molekulidega, mille tulemusena moodustub kogu aktiini soone sees pidev tropomüosiini molekulide ahel. Seega asetatakse kogu aktiini hõõgniidi sisse omamoodi kaabel, mille moodustavad tropomüosiini molekulid.

Aktiinfilamendil on lisaks tropomüosiinile ka troponiinikompleks. See kompleks koosneb kolmest komponendist, millest igaüks täidab iseloomulikke funktsioone. Troponiini esimene komponent troponiin C on võimeline siduma Ca 2+ (lühend C näitab täpselt selle valgu võimet siduda Ca 2+). Struktuurilt ja omadustelt on troponiin C väga sarnane kalmoduliiniga (vt täpsemalt). Troponiini teine ​​komponent, troponiin I, määrati nii, kuna see võib inhibeerida (suruda) ATP hüdrolüüsi aktomüosiini poolt. Lõpuks nimetatakse troponiini kolmandat komponenti troponiin T-ks, kuna see valk seob troponiini tropomüosiiniga. Terviklik troponiinikompleks on komakujuline, mille suurus on võrreldav 2–3 aktiini monomeeri suurusega (vt joonis 6c, d). Seitsme aktiini monomeeri kohta on üks troponiinikompleks.

Lõdvestusseisundis on Ca 2+ kontsentratsioon tsütoplasmas väga madal. Troponiin C regulatsioonikeskused ei ole küllastunud Ca 2+ -ga. Seetõttu interakteerub troponiin C nõrgalt troponiin I-ga ainult selle C-otsas (joonis 6c). Troponiin I inhibeerivad ja C-terminaalsed piirkonnad interakteeruvad aktiiniga ja suruvad tropomüosiini tropomüosiini soonest välja aktiini pinnale. Kuni tropomüosiin asub soone perifeerias, on aktiini kättesaadavus müosiinipeadele piiratud. Aktiini kokkupuude müosiiniga on võimalik, kuid selle kontakti pindala on väike, mistõttu müosiinipea ei saa liikuda mööda aktiini pinda ega tekitada tõmbejõudu.

Ca2+ kontsentratsiooni tõusuga tsütoplasmas küllastuvad troponiin C regulatoorsed keskused (joonis 6d). Troponiin C moodustab tugeva kompleksi troponiin I-ga. Sel juhul dissotsieeruvad troponiin I inhibeeriv ja C-otsa osa aktiinist. Nüüd ei hoia miski tropomüosiini aktiini pinnal ja see veereb soone põhja. Selline tropomüosiini liikumine suurendab aktiini ligipääsetavust müosiinipeadele, aktiini kontaktpind müosiiniga suureneb ning müosiinipead omandavad võime mitte ainult aktiiniga kokku puutuda, vaid ka üle selle pinna rullida, tekitades seeläbi tõmbejõu. .

Seega põhjustab Ca 2+ troponiinikompleksi struktuuri muutust. Need muutused troponiini struktuuris põhjustavad tropomüosiini liikumist. Kuna tropomüosiini molekulid interakteeruvad üksteisega, põhjustavad muutused ühe tropomüosiini asendis eelmiste ja järgnevate tropomüosiini molekulide liikumist. Seetõttu levivad lokaalsed muutused troponiini ja tropomüosiini struktuuris kiiresti kogu aktiini filamendi ulatuses.

Järeldus. Lihased on kõige arenenum ja spetsialiseeritud seade ruumis liikumiseks. Lihaste kokkutõmbumine toimub kahe peamiste kontraktiilsete valkude (aktiini ja müosiin) moodustatud filamentide süsteemi libisemise tõttu üksteise suhtes. Filamentide libisemine saab võimalikuks tänu aktiini ja müosiini filamentide vaheliste kontaktide tsüklilisele sulgemisele ja avanemisele. Need kontaktid on moodustatud müosiinipeadest, mis võivad ATP-d hüdrolüüsida ja tekitada vabanenud energia tõttu tõmbejõudu.

Lihaskontraktsiooni reguleerimise tagavad spetsiaalsed Ca-siduvad valgud, mis võivad paikneda kas müosiinil või aktiini filamendil. Teatud tüüpi lihastes (näiteks selgroogsete silelihastes) on põhiroll müosiini filamendil paiknevatel regulaatorvalkudel, samas kui teist tüüpi lihastes (selgroogsete skeleti- ja südamelihastes) on põhiroll. reguleerivad valgud, mis asuvad aktiini filamendil.

Kirjandus

1. Rayment I., Rypniewski W.R., Schmidt-Base K. jt // Teadus. 1993 kd. 261. Lk 50-58.
2. Gusev N.B. Intratsellulaarsed Ca-siduvad valgud // Sorose õppeajakiri. 1998. nr 5. S. 2-16.
3. Walsh M. // Mol. kamber. Biochem. 1994 kd. 135. Lk 21-41.
4. Farah C.S., Reinach F.C. // FASEB J. 1995. Vol. 9. Lk 755-767.
5. Davidson V.L., Sittman D.B. biokeemia. Philadelphia, Harwal Publ., 1994. 584 lk.
6. Wray M., Weeds A. // Loodus. 1990 kd. 344. Lk 292-294.
7. Pollack G.A. Lihased ja molekulid. Seattle: Ebner and Sons Publ., 1990. 300 lk.

Artikli retsensent N. K. Nagradova

Nikolai Borisovitš Gusev, bioloogiateaduste doktor, Moskva Riikliku Ülikooli bioloogiateaduskonna biokeemia osakonna professor. Uurimisvaldkonnad - valkude struktuur, lihaste biokeemia. Rohkem kui 90 teadusartikli autor.