Статьи

Физиология мышц (продолжение)

Если вы внимательно прочитали первую часть этой статьи, то у вас невольно возник вопрос - что заставляет двигаться миозиновые мостики, почему они то прикрепляются, то отделяются от актиновой нити? И как эту информацию привязать к тренировкам - практике? Как заставить их развивать наибольшую мощность и чем это грозит?

Часто тренер получает неоценимо полезную информацию не только проштудировав многотомный физиологический справочник или иную научную работу, но обладая уже достаточным теоретическим багажом, ему достаточно услышать всего лишь одну, казалось бы незначительную фразу или анектотический эпизод из спортивной жизни. И многое становится на свои места.

Так произошло и со мной, когда я услышал от уважаемого тренера историю о силовой подготовке одной из лучших бегуний Тульской истории легкой атлетики Екатерины Реньжиной. Он заметил, что не смотря на все его усилия у Кати начала падать скорость. Долго ломали голову, а потом он увидел, что на одной из тренировок она самостоятельно где-то вычитала и выполняет упражнения в режиме стато-динамики.

Преобразование химической энергии в механическую

Каким образом мышца преобразует химическую энергию в механическую? Вероятно, это важнейший вопрос современных молекулярных исследований мышц.

АТФ-непосредственный источник энергии для сокращения. Справедливость такого вывода не вызывает сомнений с тех пор, как было продемонстрировано гидролитическое расщепление АТФ до АДФ и фосфата во время сокращения мышцы. Все другие высвобождающие энергию реакции в ней, например аэробное и анаэробное расщепление углеводов и распад креатинфосфата, не обеспечивают этот процесс непосредственно; они служат только для непрерывного воспроизводства главного «топлива»-АТФ. Метаболическая сторона вопроса подробно рассматривается в учебниках биохимии, так что здесь мы ограничимся лишь кратким резюме (табл. 2). Скорость расщепления АТФ во время сокращения можно измерить только в условиях блокады ресинтеза АТФ соответствующими метаболическими ядами. Изолированные мышцы лягушки, быстро замороженные жидким азотом на максимуме вызванного одиночным стимулом изотонического сокращения, содержат в среднем лишь 2,6 мкмоль АТФ на 1 г сырой массы, тогда как контрольные мышцы, не подвергавшиеся стимуляции,- 2,9 мкмоль. Вместо израсходованного АТФ появляется эквивалентное количество (0,3 мкмоль) продуктов реакции - АДФ и фосфата. Таким образом, расщепление 0,3 мкмоль АТФ обеспечило энергию для изотонического сокращения и выделение тепла.

Таблица 2. Прямые и непрямые источники энергии в скелетной мышце человека

Источники энергии	Количество, мкмоль/г мышцы	Реакции, дающие энергию
Аденозинтрифосфат (АТФ)	5	АТФ -> АДФ + Р
Креатинфосфат (КФ)	11	КФ + АДФ <=> АТФ + К
Глюкоза (мономеры в составе гликогена)	84	Анаэробное расщепление через пируват до лактата (гликолиз) Аэробное расщепление через пируват до C02 и H2O
Триглицериды	10	Окисление до С02 и Н20

АДФ - аденозиндифосфат, К - креатин, P - неорганический фосфат.

АТФ гидролитически расщепляется и за счет этого энергетически используется в мышце с помощью особого фермента - АТФазы миозина, причем этот процесс активируется актином. Актин и миозин, как говорилось выше, представляют собой белковые структуры, прямо участвующие в механическом сокращении, а АТФ-единственное вещество в мышце (исключение составляют только редкие нуклеозидтрифосфаты), которое ими может непосредственно утилизироваться. Веберу и Портцелю удалось получить гелеобразные сократительные нити актина и миозина (актомиозиновые нити), способные сокращаться так же, как живые мышцы, используя АТФ (только АТФ!) в качестве источника энергии. Это подтверждает непосредственное участие АТФ в мышечном сокращении.

Потребление АТФ во время сокращения. Сейчас известно, что миозиновые головки, взаимодействующие с актином, сами содержат каталитически активные центры для расщепления АТФ. АТФаза миозина активируется актином в присутствии Mg²⁺. Следовательно, при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии Mg²⁺, АТФ расщепляется, высвобождая АДФ и фосфат, только в случае прикрепления головки миозина к активирующему белку - актину. (В отсутствие актина образующийся АДФ не высвобождается, а блокирует на несколько секунд каталитический центр миозина и, таким образом, дальнейшее расщепление АТФ.) В каждом цикле прикрепления-отделения поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, одна молекула на каждый мостик). Следовательно, чем больше мостиков находится в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ и сила, развиваемая мышцей; значит, эта скорость (интенсивность метаболизма), как правило, пропорциональна силе, развиваемой мышцей.

Скорость мышечного сокращения тем выше, чем быстрее движутся поперечные мостики, т.е. чем больше «гребков» они совершают в единицу времени. В результате быстрые мышцы потребляют в единицу времени больше и сохраняют при тоническом напряжении меньше АТФ (энергии), чем медленные. Поэтому для поддержания позы используются преимущественно медленные мышечные волокна (типа I), богатые миоглобином, а для быстрых движений - бедные им «белые» (типа IIB) или светлые (типа IIА) волокна.

Механизм действия АТФ. Механизм, с помощью которого донор энергии - молекула АТФ - обеспечивает перемещение поперечного мостика, интенсивно изучается. По-видимому, АТФ связывается с поперечным мостиком после завершения «гребка», давая энергию для разделения взаимодействующих сократительных белков - актина и миозина. Почти сразу же после этого миозиновые головки отделяются от актина, а АТФ расщепляется до АДФ и фосфата. Продукты гидролиза остаются на короткое время связанными с каталитическим центром, что необходимо для нового присоединения поперечного мостика к актину и следующего генерирующего силу «гребка», во время которого происходит высвобождение АДФ и фосфата. Затем для отделения поперечного мостика с ним должна связаться новая молекула АТФ и начинается новый цикл. Ритмичная активность поперечных мостиков, т. е. циклы их прикрепления к актину и отсоединения от него, обеспечивающие мышечное сокращение, возможны только при гидролизе АТФ, а значит, при активации АТФазы. Если расщепление АТФ блокировано, мостики не могут прикрепляться к актину, сопротивление растяжению и сила мышечных волокон падают до нуля и мышца расслабляется. При гибели организма содержание АТФ в клетках снижается; когда оно переходит критический уровень, поперечные мостики остаются устойчиво прикрепленными к актиновой нити (пока не произойдет автолиз). При этом нити актина и миозина прочно соединены друг с другом, и мышца находится в состоянии трупного окоченения (rigor mortis). Анализ условий, обеспечивающих сокращение, ригидность и расслабление (табл. 3), основан на изучении «изолированных сократительных систем».

Таблица 3. Влияние АТФ на сократительные структуры мышечных волокон и на взаимодействие актин-миозин

АТФ:	Состояние мышечного волокна	Поперечные мостики миозина	АТФаза
отсутствует	Ригидность	Прикреплены к актину	-
присутствует, но не расщепляется	Расслабление	Отделены от актина	Ингибирована1)
присутствует, расщепляется АТФазой	Сокращение	Чередование прикреплений и отделений	Активна2)

¹⁾ При концентрации Са²⁺ < 10^-7 M.
²⁾ При концентрации Са²⁺ примерно 10^-6 - 10^-5 M.

Чтобы выяснить роль АТФ в сокращении и расслаблении, Вебер и др. сначала удаляли из мышечных волокон весь эндогенный АТФ (например, путем экстрагирования водным раствором глицерола, что делает мембрану проницаемой для АТФ). Такие волокна ригидны, но при погружении в раствор АТФ вновь приобретают мягкость и растяжимость. Однако, если активность АТФазы подавлена, они останутся расслабленными и, подобно упомянутым выше искусственным актомиозиновым нитям, будут сокращаться только при активации АТФазы. Повторное подавление активности АТФазы снова вызывает расслабление этих «модельных волокон».

2. Регуляция мышечного сокращения

Обычно мышца возбуждается при поступлении потенциалов действия от иннервирующих мотонейронов; в результате передачи возбуждения через нервно-мышечные синапсы генерируются мышечные потенциалы действия (непрямая стимуляция). Возможна и прямая стимуляция мышечных волокон, но только в экспериментальных условиях. Например, при раздражении изолированной мышцы лягушки одиночным электрическим импульсом длительностью около 1 мс по мышечному волокну от места раздражения примерно через 1-2 мс со скоростью примерно 2 м/с будет распространяться потенциал действия, а еще через несколько миллисекунд оно сократится. Таким образом, сокращение вызывается потенциалом действия, т. е. возбуждением мембраны волокна.

Электромеханическое сопряжение

Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине клетки (электромеханическое сопряжение) включает в себя несколько последовательных процессов (табл. 4), ключевую роль в которых играют ионы Са²⁺.

Локализация и механизм действия Са²⁺. Инъекция Са²⁺ в мышечные волокна вызывает их сокращение. Интактные живые волокна гораздо меньше подходят для демонстрации прямого воздействия Са²⁺ на миофибриллы, чем те же волокна после удаления или разрушения поверхностной клеточной мембраны. Для этого их либо «обдирают» («скинируют») механически, либо обрабатывают детергентами, либо используют упоминавшееся выше экстрагирование глицеролом. Такие лишенные сарколеммы («скинированные») мышечные волокна сокращаются только при погружении в раствор, содержащий АТФ и по крайней мере 10^-6 М ионизированного кальция для активации АТФазы.

В этих условиях поперечные мостики миозиновых нитей могут за счет постоянного расщепления АТФ циклически взаимодействовать с актиновыми нитями. Если активирующий фактор Са²⁺ удалить из среды (например, добавив связывающие его вещества), миофибриллы расслабляются, поскольку взаимодействие между поперечными мостиками и актином предотвращается, а значит, подавляется активность АТФазы (см. табл. 3). Такой эффект полностью обратим и в опытах с лишенными сарколеммы волокнами. На ступенчатое повышение концентрации Са²⁺ от 10^-7 до 10^-5 М они реагируют постепенным увеличением силы сокращения и активности АТФазы, причем оба этих параметра достигают максимума при концентрации Са²⁺ 10^-6 - 10^-5 М.

Таблица 4. Этапы генерирования сокращения

1. Стимуляция мышечного волокна
2. Потенциал действия (возбуждение мембраны)
3. Электромеханическое сопряжение
                    а. Проведение возбуждения по Т-системе
                    б. Высвобождение Са²⁺ из продольной системы (рис. 12)
                    в. Действие Са²⁺ на миофибриллы (рис. 11)
4. Сокращение миофибрилл: циклическая активность поперечных мостиков

Механизм активации ионами кальция мышечного волокна легче понять, рассмотрев структуру актиновых нитей (рис. 11). Каждый такой филамент длиной около 1 мкм и толщиной 5-7 нм состоит из двух закрученных одна вокруг другой цепочек мономеров актина толщиной 5 нм. Похожая структура получится, если взять две нити бус и скрутить их в виде спирали по 14 бусин в каждом витке (рис. 11, А). Через регулярные промежутки примерно по 40 нм актиновые цепочки несут сферические молекулы тропонина, а в желобках между двумя цепочками лежат нити тропомиозина. Исследования с помощью рентгеноструктурного анализа (малоугловое рентгеновское рассеяние) показали, что в отсутствие Са²⁺ , т.е. при расслабленном состоянии миофибрилл, длинные молекулы тропомиозина располагаются так, что блокируют прикрепление поперечных миозиновых мостиков к актиновым нитям. И напротив, под влиянием Са²⁺ молекулы тропомиозина глубже опускаются в желобки между цепочками мономеров актина, открывая участки прикрепления для поперечных мостиков. В результате те прикрепляются к актиновым нитям (рис. 11, Б), расщепляется АТФ и развивается мышечная сила.

Рис. 11. Действие Са²⁺ во врвмя активации миофибриллы.

А - Актиновая и миозиновая нити на продольном сечении волокна.

Б - Они же на его поперечном сечении. Когда Са²⁺ связывается с тропонином, тропомиозин попадает в желобок между двумя мономерами актина, обнажая участки прикрепления поперечных мостиков

Такой механизм активации обусловлен действием Са²⁺ на тропонин, который работает как «кальциевый переключатель»: при связывании с Са²⁺ его молекула деформируется таким образом, что как бы заталкивает тропомиозин в желобок между двумя цепочками актиновых мономеров, т. е. в «активированное положение».

Хранение и высвобождение иоиов кальция. Расслабленная мышца содержит более 1 мкмоль Са²⁺ на 1 г сырой массы. Если бы соли кальция не были изолированы в особых внутриклеточных хранилищах, обогащенные его ионами мышечные волокна находились бы в состоянии непрерывного сокращения.

Структура внутриклеточных систем хранения кальция в разных мышцах не вполне одинакова (скелетная мышца человека - рис. 1; мышца лягушки - рис. 12). Во многих участках поверхностная мембрана мышечной клетки образует углубления в виде трубочек (диаметром 50 нм), перпендикулярных продольной оси волокна; эта система поперечных трубочек соединяется с внеклеточной средой и обычно окружает каждую миофибриллу на уровне Z-пластинок (у лягушки) или в области I-дисков (у высших позвоночных).

Рис. 12. Схема электромеханического сопряжения.

А - Расслабленное мышечное волокно с поляризованной клеточной мембраной. Концентрация Са²⁺ в нем ниже 10^-7 М.

Б - Потенциал действия меняет полярность мембраны клетки и поперечных трубочек на противоположную; Са²⁺ начинает выходить из терминальных цистерн.

В - К моменту исчезновения потенциала действия внутриклеточная концентрация Са²⁺ достигала примерно 10^-5 М, и саркомеры миофибрилл укоротились. Справа вверху, временная последовательность событий при злектро-мвханичвском сопряжении от «латентного» периода до начала сокращения (портняжная мышца лягушки при 0⁰С)

Перпендикулярно поперечным трубочкам, т.е. параллельно миофибриллам, расположена система продольных трубочек (истинный саркоплазматический ретикулум). Пузырьки на их концах (терминальные цистерны) прилегают к мембранам системы поперечных трубочек, образуя так называемые триады. В этих пузырьках и хранится внутриклеточный кальций. В отличие от поперечной системы продольная не сообщается с внеклеточной средой. Мембраны саркоплазматического ретикулума содержат работающий на энергии АТФ кальциевый насос, который осуществляет активный транспорт Са²⁺ из миоплазмы в продольные трубочки, снижая таким образом примерно до 10^-7 М миоплазматическую концентрацию этих ионов в покоящейся (расслабленной) мышце.

Электромеханическое сопряжение происходит посредством распространения потенциала действия по мембранам поперечной системы внутрь клетки. При этом возбуждение быстро проникает в глубь волокна, переходит на продольную систему и в конечном счете вызывает высвобождение Са²⁺ из терминальных цистерн во внутриклеточную жидкость, окружающую миофибриллы, что и ведет к сокращению (рис. 12).

При одиночном импульсе сокращение кратковременно; расслабление мышцы вызывается обратным переносом активирующих ионов Са²⁺ посредством кальциевого насоса в каналы саркоплазматического ретикулума. Удаление ионов Са²⁺ из миоплазмы идет до тех пор, пока их концентрация в ней не упадет до примерно 10^-7 М. При этом подавляются активность АТФазы миозина и взаимодействие между актином и поперечными мостиками, которые отделяются от актиновых нитей (см. табл. 3).

Интересны еще два вопроса: "Распространение возбуждения вглубь волокна" и "Регуляция мышечной силы в организме человека". Но кому это интересно, тот может самостоятельно скачать и прочитать учебник физиологии, написанный немецкими авторами. 

Mg, Ca, P  - таким образом мы плавно переходим к вопросу питания и его значения в тренировочном процессе, роли отдыха и восстановления сил. Но сначало еще один момент - это рефлексы (атлас мышцы и скелет) и как с ними связана техника (идеомоторная тренировка)