🗊Презентация ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЗБУДИМЫХ СТРУКТУР. ФИЗИОЛОГИЯ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ

ТЕМА № 4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЗБУДИМЫХ СТРУКТУР. ФИЗИОЛОГИЯ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ

ПЛАН: Физиологическое значение мышц. Физиологические свойства мышц. Понятие о моторной единице. Виды и режимы сокращения скелетных мышц. Соотношение цикла возбуждения и мышечного сокращения. Суммация одиночных мышечных сокращений. Зависимость амплитуды сокращения от частоты раздражения. Тетанус и его виды. Оптимум и пессимум. Сила и работа мышц. Закон средних нагрузок. Механизм сопряжения возбуждения и сокращения. Современные теории мышечного сокращения и расслабления. Биоэнергетика мышечного сокращения.

Физиологическое значение мышц – обеспечивают перемещение тела в пространстве, взаимодействие организма с окружающей средой, работу внутренних органов.

В зависимости от задействованной в сокращении мышечной массы выделяют: 1) локальные нагрузки – 1/3 массы; 2) региональные – от 1/3 до 2/3 массы; 3) глобальные – свыше 2/3 массы.

В состав скелетных мышц входят мышечные волокна, относящиеся к фазным и тоническим нейромоторным единицам. Попеременное их «включение» обеспечивает изменение функционального состояния мышцы.

В разных мышцах соотношение типов нейромоторных единиц неодинаково. Итеративность – мышечные волокна тонических нейромоторных единиц (НМЕ) не способны отвечать на одиночные импульсы, а отвечают только на ритмические (с частотой не меньше 10 в секунду).

ВИДЫ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Статическая Динамическая (F мышцы = F сопротивления) (F мышцы = F сопротивления) Преодолевающая Уступающая (F мышцыF сопр.)(F мышцыF сопр.) выполняют: выполняют фазные фазные быстрые

ВИДЫ СОКРАЩЕНИЯ Одиночное Тетаническое (суммационное)

При частоте раздражения до 10 Гц – одиночные сокращения. 10 - 20 Гц – зубчатый тетанус. Свыше 20 Гц – гладкий тетанус. АМПЛИТУДА ТЕТАНИЧЕСКОГО СОКРАЩЕНИЯ ВСЕГДА БОЛЬШЕ, ЧЕМ ОДИНОЧНОГО.

Тетаническое сокращение развивается в ответ на тетанус (определенную частоту) раздражения (интервал между импульсами должен быть меньше, чем длительность одиночного сокращения). Если последующие импульсы поступают в фазу укорочения – наблюдается гладкий тетанус, если в фазу расслабления – зубчатый (зубчик – попытка к расслаблению).

РЕЖИМЫ СОКРАЩЕНИЯ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ 1. Изометрический (эксцентрический) – наблюдается при закреплении мышцы с двух сторон. Размеры саркомеров меняются за счет скольжения нитей актина и миозина относительно друг друга. Но длина волокна в целом не изменяется за счет растяжения соединительнотканных элементов мышцы и сухожилий, которым передается напряжение, развиваемое актомиозиновыми мостиками. 2. Изотонический (концентрический) – при свободном укорочении мышечного волокна. Напряжение практически не изменяется, а меняется только длина мышечного волокна. 3. Ауксотонический (смешанный) – развитие напряжения сопровождается укорочением длины мышцы.

СООТНОШЕНИЕ ЦИКЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ И МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

ТЕОРИИ ТЕТАНУСА: 1. Гельмгольца – суперпозиций: объясняет тетанус простым наложением одиночных сокращений одинаковой амплитуды друг на друга. Не может объяснить пессимум. Оптимум – частота и сила раздражения, вызывающие тетанус максимальной амплитуды. Пессимум – частота и сила раздражения, вызывающие тетанус минимальной амплитуды или не вызывающие тетанического сокращения.

2. Введенского – посттетанической потенциации мышцы: суммируются сокращения изменяющейся амплитуды, что связано с изменением возбудимости при возбуждении.

Сила мышцы (F=m·a) – измеряется или массой максимального груза, который может поднять мышца (при изотоническом режиме) или максимальным напряжением (при изометрическом). Не зависит от длины мышцы! Зависит от: 1) площади физиологического поперечного сечения (сумма поперечных сечений всех мышечных волокон);

Саркомер – повторяющийся сегмент миофибрилл, ограниченный Z-мембранами. Состоит из диска А (анизотропный, темный, т.к. обладает большой плотностью; состоит из толстых нитей белка миозина и тонких нитей белка актина) и двух половинок дисков I (изотропные, светлые, т.к. обладают низкой плотностью; состоят только из тонких нитей).

Работа мышцы При поднятии груза A=P·h Р – вес груза h – высота поднятия груза При горизонтальном перемещении груза А=f·l·cosα f – сила мышцы l – расстояние перемещения груза α – угол между перемещением груза и направлением действия силы.

Между величиной нагрузки и производимой мышцей работы существует определенная зависимость: по мере увеличения нагрузки работа возрастает до определенного уровня, а затем уменьшается. Максимальная работа производится мышцей при средних нагрузках – правило средних нагрузок.

Работа по поддержанию определенного положения тела в пространстве – статическая.

Коэффициент полезного действия (КПД) мышечной работы представляет собой отношение величины внешней механической работы (W) к общему количеству выделенной в виде тепла энергии (Е) КПД=W/E

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОПРЯЖЕНИЕ (МЕМБРАННО-МИОФИБРИЛЛЯРНАЯ СВЯЗЬ) Осуществляет проводящая система мышечного волокна (триада): 1. Цитоплазматическая мембрана мышечного волокна. 2. Т-трубочка – инвагинация цитоплазматической мембраны мышечного волокна. 3. l-трубочка – терминальная цистерна саркоплазматического ретикулума (СПР). Мембраны l- и Т-трубочек непосредственно соединены посредством соединительных ножек.

Механизм сопряжения различен в скелетной, гладкой мышцах и мышце сердца.

1. Скелетная мышца – потенциал лействия, распространяясь по мембране Т-трубочки, изменяет конформацию дигидропиридинового (ДГП) рецептора (блокируется дигидропиридином) таким образом, что открывается рианодинчувствительный кальциевый канал в l-трубочке (замыкается в открытой позиции растительным алкалоидом рианодином). ДГП рецептор – вольтажный сенсор и триггер, открывающий высвобождение кальция.

2. Сердечная мышца – потенциал действия изменяет конформацию ДГП-зависимого кальциевого канала Т-трубочки, через который происходит поступление внеклеточного кальция, что открывает рианодинчувствительный кальциевый канал в l-трубочке.

Части головки: N-концевая – АТФ-связывающий центр, центральная – актин-связывающий центр, С-концевая – каркас головки, соединена гибким шарнирным сочленением со спирализованным хвостом тяжелых цепей миозина, имеет центры связывания легких цепей миозина (м.в. 18 000 - 28 000 Дальтон), которые находятся в области шейки (перехода головки в хвост) и влияют на способность миозина взаимодействовать с актином, т.е. участвуют в регуляции мышечного сокращения.

Контур головки напоминает змею с приоткрытой «пастью», челюсти которой формируют актин-связывающий центр. При гидролизе АТФ происходит периодическое открывание и закрывание этой «пасти», в зависимости от чего изменяется взаимодействие головки миозина с актином.

Головки образуют на поверхности толстой нити трехзаходную спираль. Хвосты тяжелых цепей миозина скручены между собой как канат, могут слипаться друг с другом за счет электростатических взаимодействий. В нескольких местах жесткая структура хвоста нарушена за счет шарнирных участков, обеспечивающих подвижность отдельных частей молекулы миозина: один расположен в основании головки, другой на расстоянии 43 нм от первого.

Хвосты миозина упаковываются как в параллельном, так и в антипараллельном направлении с формированием биполярных (двухполюсных) филаментов (половина молекул миозина повернута своими головками в одну сторону, а вторая – в другую). В центре филамента молекулы агрегированы хвост к хвосту, в результате чего образуется зона, не несущая головок (Н-зона). По обеим сторонам от центра филамента молекулы агрегированы полярно (хвост к голове).

В состав тонкой нити также входят регуляторные белки – стержни тропомиозина и глобулы тропонина (через участки цепи из семи глобул актина).

МЕХАНИЗМ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ. Теория скольжения – братья Х. и А. Хаксли, Хансон (1954): скольжение тонких нитей вдоль толстых за счет циклического замыкания и размыкания контактов между ними, формируемых головками миозина, которые могут гидролизовать АТФ и за счет освободившейся энергии генерировать тянущее усилие. Первоначально головка миозина расположена перпендикулярно актиновой нити, затем наклоняется на 45о. За 1 секунду головка осуществляет 50 таких движений. Шаг перемещения актиновой нити – 0,8 нм.

Малый сократительный элемент (МСЭ) – толстая нить, окруженная 6 тонкими (гексагональная упаковка). Имеет внутреннюю «резьбу» – глобулы тропонина выходят из регистра тонкой нити таким образом, что точно попадают в бороздки, образованные головками миозина на поверхности толстой нити. «Резьба» обеспечивает равномерность закручивания. Это необходимо, поскольку саркомер включается в работу с дистальных концов (там выбрасывается кальций из СПР). Нить закручивается в разные стороны относительно мембраны М. В настоящее время теория опровергнута, т.к. при сокращении: 1) уменьшается длина не только диска I, но и А; 2) толстая нить утолщается и укорачивается; 3) происходит не линейное, а азимутальное перемещение массы; 4) головка миозина, имеющая длину 20 нм, не может совершать гребковые движения, т.к. расстояние между толстой и тонкими нитями 13 нм. Поэтому разработана новая теория, объясняющая мышечное сокращение – теория вкручивания (Н.С. Мирошниченко, М.Ф. Шуба, 1990): толстая нить вкручивается в трубкообразную структуру, образованную 6 тонкими нитями.

В покое головка миозина уподоблена сжатой пружине, распрямиться которой мешает тропонин-тропомиозиновый комплекс, играющий роль защелки. В «выключенном» состоянии защелка ионизирована ТnСCOO-. После выброса кальция из СПР защелка переходит в неионизированное «включенное» состояние: ТnСCOO- + Ca++  ТnСCOOCa В таком виде она приобретает способность к перемещению или деформации. Тогда головка миозина, сместив преграду на своем пути, зацепляется за актиновую нить.

Роль кальция и протонов. Кальций, как уже указывалось, инициирует мышечное сокращение. При гидролизе АТФ появляются протоны. Они конкурируют с кальцием за карбоксилаты тропонина и вытесняют его: ТnСCOOCa + Н+  ТnСCOOН+Са ++ Кальций откачивается в СПР. Защелка, по-прежнему, остается в неионизированном, т.е. «включенном» состоянии. Следовательно, протоны поддерживают мышечное сокращение. При ресинтезе АТФ протоны потребляются, защелка переходит в ионизированное состояние и препятствует взаимодействию нитей.

МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ В конце 19 века в классических опытах английского физиолога С. Рингера была установлена ключевая роль Са2+ как регулятора сокращения мышц. В миоцитах существуют специальные регуляторные системы, отслеживающие изменения концентрации этих ионов внутри клетки. В зависимости от того, где располагаются Са2+-связывающие белки, различают:

Миозиновый тип характерен для гладких мышц, с миозиновыми филаментами которых связан фермент «киназа легких цепей миозина» (КЛЦМ), относящийся к группе протеинкиназ – ферментов, способных переносить концевой остаток фосфата АТФ на оксигруппы остатков серина или треонина белка. В покое КЛЦМ неактивна, поскольку специальный ингибиторный участок закрывает активный центр фермента и не дает ему взаимодействовать с истинным субстратом. В цитоплазме гладких мышц есть кальмодулин – белок, имеющий четыре Са-связывающих центра. Связывание с Са2+ изменяет его структуру так, что он может взаимодействовать с КЛЦМ. Это приводит к удалению ингибиторного участка из активного центра этого фермента и его активации.

Актиновый тип характерен для поперечнополосатых скелетных мышц и сердечной мышцы. В глубине продольных канавок, образующихся с двух сторон тонкой нити из-за перекручивания цепей актина друг относительно друга, находится сильно спирализованный белок тропомиозин (м.в. 67 000). Каждая его молекула состоит из двух одинаковых (или очень похожих друг на друга) полипептидных цепей (образованы идентичными по первичной структуре фрагментами, содержащими по 42 аминокислотных остатка), которые также перекручены друг относительно друга. Одна молекула тропомиозина контактирует с семью глобулами актина и с предыдущей и последующей молекулами тропомиозина, т.е. внутри всей канавки актина расположен непрерывный тяж тропомиозина. Актиновый тип характерен для поперечнополосатых скелетных мышц и сердечной мышцы. В глубине продольных канавок, образующихся с двух сторон тонкой нити из-за перекручивания цепей актина друг относительно друга, находится сильно спирализованный белок тропомиозин (м.в. 67 000). Каждая его молекула состоит из двух одинаковых (или очень похожих друг на друга) полипептидных цепей (образованы идентичными по первичной структуре фрагментами, содержащими по 42 аминокислотных остатка), которые также перекручены друг относительно друга. Одна молекула тропомиозина контактирует с семью глобулами актина и с предыдущей и последующей молекулами тропомиозина, т.е. внутри всей канавки актина расположен непрерывный тяж тропомиозина.

В покое, когда концентрация Са2+ в цитоплазме мала, регуляторные центры тропонина С не насыщены им и тропонин-тропомиозиновый комплекс ограничивает доступность актина для головок миозина – тропонин С своим С-концом слабо взаимодействует с тропонином I, ингибиторный и С-концевой участки которого взаимодействуют с актином и с помощью тропонина Т выталкивают тропомиозин из канавки на поверхность актина. После присоединения к тропонину С четырех ионов кальция он образует прочный комплекс с тропонином I, в результате чего ингибиторная и С-концевая части последнего диссоциируют от актина. Поскольку теперь ничто не удерживает стержень тропомиозина на поверхности актина, он закатывается на дно канавки. В результате открываются активные центры актина и он может взаимодействовать с миозином.

Из-за того, что молекулы тропомиозина взаимодействуют друг с другом, изменения положения одного тропомиозина повлечет за собой перемещение предыдущей и последующей молекул тропомиозина. Именно поэтому локальные изменения структуры тропонина и тропомиозина быстро распространяются вдоль всего актинового филамента. Это увеличивает доступность актина для головок миозина. Из-за того, что молекулы тропомиозина взаимодействуют друг с другом, изменения положения одного тропомиозина повлечет за собой перемещение предыдущей и последующей молекул тропомиозина. Именно поэтому локальные изменения структуры тропонина и тропомиозина быстро распространяются вдоль всего актинового филамента. Это увеличивает доступность актина для головок миозина.

ЭНЕРГЕТИКА МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

КИСЛОРОДНЫЙ ЗАПРОС – количество кислорода, необходимое для полного обеспечения выполняемой работы. КИСЛОРОДНЫЙ ДОЛГ – количество кислорода, необходимое для окисления накопившихся в организме при интенсивной мышечной работе недоокисленных продуктов обмена. Образуется, т.к. органы снабжения кислородом не могут быстро удовлетворить кислородный запрос. В общем кислородном долге различают две части:

ФАЗЫ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ В МЫШЦЕ Начальное теплообразование – вызывается биохимическими анаэробными процессами, ведущими к сокращению мышцы: тепло активации – во время возбуждения, предшествующего сокращению, выделяется небольшое количество тепла; тепло укорочения – при одиночном сокращении мышцы на нее приходится 65 - 70% тепла; тепло расслабления (30 - 35%) – запаздывающее анаэробное теплообразование. Восстановительная или отставленная фаза теплообразования – вызывается окислительными процессами, обеспечивающими ресинтез АТФ, главным образом гликолизом и окислительным фосфорилированием.

В первую фазу выделяется около 40%, а во вторую – около 60% всей тепловой энергии, образовавшейся в мышце.

В начале расслабление идёт пассивно – за счёт эластических компонентов мышцы (сухожилий, связок), а затем активно.