СКЕЛЕТНЫЕ МЫШЦЫ

Взаимодействие человека с внешней средой не может осуществляться без сокращений его мышц. Производимые при этом движения необходимы как для выполнения простейших манипуляций, так и для выражения самых тонких мыслей и чувств посредством речи, письма, с помощью мимики или жестов. Масса скелетных мышц намного больше, чем других органов; они составляют 40-50% массы тела. Мышцы - это “машины”, преобразующие химическую энергию непосредственно в механическую работу и в теплоту.

Поперечнополосатые мышцы (мышцы двига­тельного аппарата скелета, жевательные, ды­хательные, глазодвигательные мышцы и т.д.) полностью лишены автоматизма, они не спо­собны работать без управляющей импульсации из ЦНС. Эти мышцы называют произ­вольной мускулатурой, так как их сокраще­нием можно управлять произвольно, по соб­ственному желанию.

3.1.1. Структурно-функциональная характеристика

Структурной и сократительной единицей мышцы является мышечное волокно, пред­ставляющее собой сильно вытянутую много­ядерную клетку. Толщина волокна — в пре­делах 10—100 мкм, чаще всего около 50 мкм. Длина волокна определяется размером мышцы и может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

У человека количество мышечных воло­кон устанавливается через 4—5 месяцев после рождения и затем практически не меняется. При рождении ребенка их диаметр составля­ет примерно 1/5 толщины волокон взрослых людей. Диаметр мышечных волокон может значительно увеличиваться под воздействи­ем тренировки (функциональная гипертро­фия).

Основными структурно-функциональными элементами мышечной клетки являются:

− мембранная оболочка;

− саркоплазма с органоидами;

− миофиламенты.

Как и всякая клетка, мышечное волокно имеет мембранную оболочку — сарколемму. Мембрана мышечного волокна образована типичной плазматической мембраной, укрепленной соединительно-тканными волокнами. Эти волокна объединяясь у концов мышечных волокон образуют сухожилия, с помощью которых мышца крепится к костям.

В саркоплазме (цитоплазме) мышечного во­локна находится типичный набор органоидов: многочисленные ядра, митохондрии, саркоплазматический ретикулум (см. ниже), растворимые белки (миоглобин), капельки жира, гранулы гликогена, фосфатсодержащие вещества, другие малые молеку­лы, ионы.

От одного конца мышечного волокна до другого тянется масса нитей — миофибрилл, с которыми связана способность мышцы к сокращению. Их диаметр составляет 1— 2 мкм, так что в одном мышечном волокне может насчитываться более 2000 миофибрилл. Миофибриллы группируются в пучки, по 4—20 штук в каждом. В одиночной мио­фибрилле насчитывается 2000—2500 протофибрилл — толстых и тонких.

Они располагаются параллельно друг другу внутри мышечной клетки. Миофибриллы представляют собой сократимые пучки “нитей” (филаментов) диаметром около 1 мкм. Перегородки, называемые Z-пластинками, разделяют их на несколько компартментов – саркомеров − длиной примерно по 2,5 мкм. Структура саркомеров схематически показана на рис. С помощью светового микроскопа в них можно видеть регулярно чередующиеся поперечные светлые и темные полосы. Согласно теории Хаксли и Хансон [1954], такая поперечная полосатость миофибрилл обусловлена особым взаиморасположени­ем актиновых и миозиновых филаментов. Середину каждого саркомера занимают несколько тысяч толстых нитей миозина диаметром примерно по 10 нм. На обоих концах саркомера находятся около 2000 тонких (толщиной по 5 нм) нитей актина, прикрепленных к Z-пластинкам наподобие щетинок в щетке. Пучок лежащих в определенном порядке миозиновых нитей длиной 1,6 мкм в середине саркомера выглядит в световом микроскопе темной полосой шириной 1,6 мкм. Из-за свойства двойного лучепреломления в поляризованном свете (т. е. ани­зотропии) она называется А-диском. По обе сторо­ны от А-диска находятся изотропные участки, со­держащие только тонкие нити и поэтому выглядя­щие светлыми; эти так называемые I-диски тянутся до Z-пластинок.

 

Рис. 10. Структура миофибрилл. Показаны диски А и I, полоски Z и Н (а). Взаимное расположение толстых (миозиновых) и тонких (актиновых) нитей в расслабленной (б) и сокращенной (в) миофибрилле.

Светлые I-диски делятся пополам поперечной темной Z-линией, с обеих сто­рон которой крепятся тонкие (актиновые) протофибриллы. Участок между двумя со­седними Z-линиями называется саркомером. Он представляет собой основную по­вторяющуюся структуру миофибриллы. Длина саркомера обычно лежит в пределах 2—3 мкм. Эта зона перекрывания в А-диске выглядит в световом микроскопе гораздо темнее центральной Н-зоны, в которой нет актиновых нитей. На электронных микрофотогра­фиях Н-зоны видна очень тонкая темная М-линия в середине саркомера − сеть опорных белков, по-ви­димому, удерживающих толстые нити в составе единого пучка.

При длине типичного мы­шечного волокна человека 5 см его миофиб­риллы насчитывают порядка 20 000 последо­вательно расположенных саркомеров. Мио­фибриллы, точнее их саркомеры, являются сократительным аппаратом, «мотором» мы­шечного волокна.

Итак, в каждом саркомере имеется два на­бора тонких нитей, прикрепленных к Z-ли-ниям, и один комплект толстых нитей, со­средоточенных в А-диске. В покоящейся мышце концы толстых и тонких филаментов лишь незначительно перекрываются на гра­нице между А- и I-дисками. При сокращении мышцы зона перекрытия тонких и толстых филаментов увеличивается, ширина А-дисков и Н-зон уменьшается (см. рис. ).

Один грамм ткани скелетной мышцы содержит около 100 мг сократительных бел­ков. В настоящее время в основных чертах установлена тонкая структура тонких и толстых филаментов. Толстые филаменты состоят из сократительного белка миозина, а тонкие — из ак­тина.

Миозиновые филаменты образуются более чем 200 молекулами миозина (молекулярная масса 42000). Каждая из них скручена попарно и имеет выступающий отросток, называемый головкой. Головки направлены под углом от центра в сторону тонких нитей (напоминают ёрш для мытья посуды). В основании головки миозина имеется фермент АТФ-аза, а на самой головке располагаются легкие цепи и молекула АТФ.

Актиновые филаменты скомпанованы из двух актиновых нитей, представляющих собой как бы бусинки глобулярных молекул актина (молекулярная масса 500000). Тонкие нити имеют активные центры, расположенные друг от друга на расстоянии 40 нм, к которым могут прикрепляться головки миозина. Кроме актина в тонких нитях имеются и другие белки − тропомиозин, тропонины (I,T,C). Тропомиозин и тропонин образуют регуляторный белковый комплекс, который в невозбужденной мышце блокирует взаимодействие между актином и миозином. В результате невозбужденная мышца рас­слаблена. Блокирующая роль тропонина снимается ионами кальция (Са²⁺), поступа­ющими к сократительным белкам при воз­буждении.

В поперечном сечении толстые и тонкие филаменты расположены правильными шестиугольниками так, что каждая толстая нить окружена шестью тонкими, а каждая тонкая может вступать в контакт с тремя толстыми.

Система микротрубочек скелетной мышцы представляет собой сложный биокомплекс. Во многих участках поверхностная мембрана мышечной клетки образует углубления в виде Т-трубочек (диаметром 50 нм), перпендикулярных продольной оси волокна; эта система поперечных трубочек соединяется с внеклеточной средой и обычно окружает каждую миофибриллу в области I-дисков (у высших позвоночных ).

Перпендикулярно поперечным трубочкам, т.е. параллельно миофибриллам, расположена система продольных трубочек (истинный саркоплазматический ретикулум). Пузырьки на их концах (терминальные цистерны) прилегают к мембранам ситемы поперечных трубочек, образуя так называемые триады. В этих пузырьках и хранится внутриклеточный кальций. В отличие от поперечной системы продольная не сообщается с внеклеточной средой. Саркоплазматический ретикулум выполняет важную функцию в инициации сокращения мышцы, являясь депо Са²⁺. 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.

3.1.2. Механизм сокращения мышцы

Механизм мышечного сокращения на молекулярном уровне объясняет теория скользящих нитей, разработанная Хаксли и Хансон (1954).

При электронной микроскопии обнаружено, что на миозиновых нитях имеются выступы, получившие название поперечных мостиков. Поперечные мостики, состоящие из головки и шейки, протянувшиеся от миозиновых нитей, в спокойном состоянии не могут со­единиться с актиновыми нитями из-за особо­го расположения тропомиозина, закрываю­щего активные центры актина и препятству­ющего их взаимодействию с поперечными мостиками миозина. Тропонин подавляет миозин-АТФазную активность, что делает невозможным расщепление АТФ, в результа­те мышечные волокна пребывают в расслаб­ленном состоянии (рис.11).

 

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

А. Актиновая и миозиновая нити на продольном сечении волокна.

Б. Они же на поперечном сечении. Когда Са²⁺ связывается с тропонином, тропомиозин попадает в желобок между двумя мономерами актина, обнажая участки прикрепления поперечных мостиков (по Haxley, 1973 c изменениями Р.Шмидта и Г. Тевса, 1995).

 

Сокращение скелетной мышцы волокон начинается с приходом нервного импульса к сарколемме, который приводит к формированию ПД. Возникающий ПД рас­пространяется по поверхностной мем­бране, а также по мембранам, выстилающим поперечные трубочки Т-системы. Проникая внутрь волокна, электрическая волна приво­дит к деполяризации мембран продольных трубочек и цистерн саркоплазматического ретикулума. Деполяризация мембраны цистерн открывает электровозбудимые кальциевые каналы. В связи с тем, что в саркоплазме концентрация кальция менее 10^-7 М/л, а в саркоплазматическом ретикулуме − более 10^-4 М/л, начинается интенсивный выход ионов кальция в саркоплазму. Выделившийся свободный Са²⁺ и является инициатором мышечного сокращения.

Достаточный для начала мышечного сокращения уровень ионов кальция достигается через 12-15 мс после прихода нервного импульса. Это скрытый, латентный период мышечного сокращения. В связи с тем, что скорость распространения ПД по сарколемме выше времени, необходимого для выделения Са²⁺из саркоплазматического ретикулума, то все фибриллы участка мышцы, иннервируемого одним нервом, сокращаются одновременно.

Совокупность явлений, обусловливающих связь между возбуждением (потенциалом действия) и сокращением мышечных волокон, получила название «электромеханичес­кого сопряжения», или «электромеханической связи».

 

Рис. 12. Взаимоотношения клеточной мембраны (1), поперечных трубочек (2), боковых цистерн (3) и продольных трубочек (4) саркоплазматического ретикулума, миозиновых и актиновых нитей (5) мышеч­ного волокна. А—в состоянии покоя; Б—во время сокращения.

Деполяризация мембраны и поперечных трубочек вызвала освобождение ионов Са²⁺ из боковых цистерн. Освободив­шиеся ионы Са²⁺ диффундируют по направлению к миофибриллам и частично захватываются продольными трубочками ретикулума.

 

Механизм инициации сократительного процесса представляется в настоящее время следующим обра­зом. В присутствии ионов Са²⁺, а также АТФ тропонин изменяет свою конфигурацию и отодвигает нить тропомиозина, открывая возможность соединения головки поперечно­го мостика миозина с актином (см. рис.11). Соединение головки фосфорилированного миозина с ак­тином приводит к тому, что головка приобре­тает АТФазную активность, в ней происходит гидролиз АТФ, сопровождаемый изменением пространственной ориентации. Последнее носит форму гребкового движения, обеспечи­вающего втягивание тонких актиновых миофиламентов в промежутки между толстыми миозиновыми миофиламентами на один шаг (примерно 20 нм) без изменения длины миофиламентов. После этого, образующиеся Ф и АДФ, отходят, а на их место присоединяется новая молекула АТФ. Это приводит к разрыву связи миозина с активным центром актина. Затем следуют отрыв мостика и повторение всего цикла. При каждом гребковом движении головки поперечного мостика расщепляется одна молекула АТФ. Скорость расщепления АТФ является фактором, пред­определяющим частоту гребковых движений и, таким образом, скорость скольжения нитей актина относительно нитей миозина. Целая мышца укорачивается в результате сокращения множества саркомеров, соеди­ненных последовательно в миофибриллах (рис. 12).

Обнаружено, что при сокращении скелет­ной мышцы лягушки поперечные мостики должны совершить за 0,1 с 50 гребковых дви­жений, чтобы обеспечить укорочение каждо­го саркомера волокна на 50 %.

Таким образом, при сокращении мышцы:

− актиновые и миозиновые нити практически не укорачиваются;

− взаимодействие актина с миозином приводит к взаимному вхождению нитей в промежутки между ними;

− в результате две соседние Z-мембраны приближаются друг к другу и при максимально сильном сокращении расстояние между ними может уменьшиться почти в два раза;

− так как заключенная внутри саркомера саркоплазма несжимаема, то при уменьшении длины саркомер (мышца) расширяется;

− подобные процессы одновременно протекают во всех саркомерах мышечного волокна, поэтому оба конца мышцы подтягиваются к центру.

Расслабление мышцы. Гребковые движения («шаги») поперечных мостиков будут повторяться до тех пор, пока в саркоплазме есть свободный Са²⁺ (в концентрации более 10^-5) и АТФ. Если нет новой волны деполяризации, то кальций быстро убирается обратно в цистерны саркоплазматического ретикулума. Работа насоса активируется самим кальцием, вернее возрастанием его концентрации в саркоплазме. Работа насоса требует затраты большого количества АТФ: для удаления каждого иона кальция используется 2 молекулы АТФ. Результатом откачивания кальция из саркоплазмы является разрыв всех связей актина и миозина и расслабление мышцы.

В целом последовательность событий в цикле сокращение—расслабление мышечно­го волокна представляется в следующем виде:

— поступление ПД по нервному волокну к мионевральному синапсу;

— синаптическая активация мышечного волокна;

— возникно­вение ПД, проведение его вдоль клеточной мембраны и в глубь волокна по Т-трубочкам;

— освобождение ионов Са²⁺ из боковых цистерн саркоплазматического ретикулума, диффузия его к миофибриллам;

— конформация тропонин-тропомиозинового ком­плекса;

— контакт поперечных мостиков миозина с актином;

— освобождение энер­гии АТФ;

— скольжение актиновых и миози­новых нитей, выражающееся в укорочении миофибриллы;

— активация кальциевого на­соса;

— снижение концентрации свободных ионов Са²⁺ в саркоплазме;

— расслабление миофибрилл.

3.1.3. Энергетика мышцы. Тепловые явления, сопровождающие мышечное сокращение

Значение АТФ в мышечном сокращении впервые выявили В.А.Энгельгардт и М.Н.Любимова, которые в 1939 г. обнаружили, что мышеч­ный белок миозин обладает свойствами фер­мента АТФазы. Эти же авторы показали, что под воздействием АТФ меняются и механи­ческие свойства миозина: увеличивается рас­тяжимость его нитей. В последующие годы был открыт белок актин, который, как оказа­лось, активирует АТФазную активность мио­зина.

АТФаза миозина активируется актином в присутствии Мg²⁺. Следовательно, при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии Мg²⁺, 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 , богатые миоглобином, а для быстрых движений - бедные им “белые” или светлые волокна.

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 до 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. При этом мышца находится в состоянии трупного окоченения (rigог mortis) − спастического сокращения мышц. Лишь после нарушения целостности лизосом и поступления в саркоплазму их ферментов, вызывающих лизис белков, окоченение постепенно проходит.

Таким образом, энергияАТФ в скелетной мышце используется для следующих процессов:

1) работы натрий-калиевого насоса, обеспе­чивающего поддержание постоянства гради­ента концентрации ионов по обе сторо­ны мембраны;

2) образования мостиков − процесса скольжения актиновых и миозиновых нитей, приводящих к укорочению миофибрилл (сокращения);

3) разрыва мостиков (расслабления);

4) работы кальциевого на­соса, активируемого при расслаблении во­локна.

Во время активации мышцы повышение внутриклеточной концентрации Са²⁺ ведет к со­кращению и к усиленному расщеплению АТФ; при этом интенсивность метаболизма мышцы возраста­ет в 100-1000 раз. Согласно первому началу термо­динамики (закону сохранения энергии), химическая энергия, высвобождаемая в мышце, должна быть равна сумме механической энергии (мышечной ра­боты) и теплообразования. Даже в отсутствие физи­чески измеримой работы (например, во время ус­тойчивого изометрического тетануса) происходит непрерывное преобразование химической энергии в тепловую (теплота изометрического сокращения) со скоростью, пропорциональной длительности тета­нуса и развиваемому напряжению. Даже изометри­ческое сокращение сопровождается непрерывной циклической активностью поперечных миозиновых мостиков, и “внутренняя” работа, связанная с рас­щеплением АТФ и теплообразованием, при этом значительна. Недаром даже такая “пассивная дея­тельность”, как “стойка смирно”, утомительна. Ко­гда мышца поднимает груз, совершая “внешнюю” работу, расщепляется дополнительное количество АТФ. При этом усиление интенсивности метабо­лизма пропорционально выполненной работе (эф­фект Фенна).

Коэффициент полезного действия. Гидролиз одно­го моля АТФ дает примерно 48 кДж энергии. Одна­ко лишь около 40-50% ее превращается в механи­ческую энергию работы, а остальные 50-60% рассеиваются в виде тепла при запуске (начальная теплота) и во время сокращения мышцы, температу­ра которой при этом несколько повышается. Таким образом, к.п.д. элементарного преобразования АТФ в миофибриллах составляет примерно 40-50%. Однако в естественных условиях механический к.п.д. мышц обычно гораздо ниже - около 20-30%, так как во время сокращения и после него процессы, требующие затрат энергии, идут и вне миофибрилл. Эти процессы, например работа ионных насосов и окислительная регенерация АТФ, сопровождают­ся значительным теплообразованием (теплота вос­становления). Чем больше совершенная работа, тем больше образуется тепла и расходуется энергоре­сурсов (углеводов и жиров) и кислорода. Такая закономерность, кстати, объясняет усталость, уси­ленное потоотделение и одышку при подъеме в го­ру, но не при спуске.

Энергетический метаболизм. Во время продолжи­тельной равномерной мышечной активности про­исходит аэробная регенерация АТФ, главным обра­зом за счет окислительного фосфорилирования. Не­обходимая для этого энергия выделяется в резуль­тате окисления углеводов или жиров. Вся система находится в состоянии динамического равновесия, при котором скорости образования и расщепления АТФ равны, так что внутриклеточные концентрации АТФ ( = 5 мМ ) и креатинфосфата ( = 30 мМ ) по­стоянны. При продолжительных спортивных на­грузках скорость расщепления АТФ в мышцах, от которой непосредственно зависит их мощность, час­то в 100 или даже в 1000 раз больше, чем в состоя­нии покоя. Устойчивое состояние, а следовательно, и продолжительная нагрузка возможны, только ес­ли скорость ресинтеза АТФ в результате окисли­тельного фосфорилирования возрастает параллель­но его расходу. При этом потребление О₂ мышеч­ной тканью увеличивается в 50-100 раз по сравнению с состоянием покоя, потому что для образова­ния 1 моля АТФ требуется примерно 1/6 моля О₂. Соответственно повышается и скорость расщепле­ния гликогена в мышце. Интенсивность ее работы может ограничиваться активностью митохондриальных ферментов, определяющей скорость окисли­тельного расщепления глюкозы; эта активность до­стигает предела, на пример во время бега хорошо тренированного стайера со скоростью 6 м/с.

Предел, характерный для продолжительной ра­боты, может быть превзойден при кратковременном усилии (например, при финальном спурте во время соревнований по бегу) за счет расщепления допол­нительного количества гликогена анаэробным путем, т.е. посредством гликолиза. При этом АТФ образуется в 2-3 раза быстрее, а механическая энергия мышцы в 2-3 раза выше, чем при длитель­ной работе, обеспечиваемой аэробными механизма­ми. Спринтер может бежать почти вдвое быстрее(10 м/с) стайера. Предельное время для такой повышенной нагрузки составляет примерно 30с из-за ограниченности ресурсов анаэробного мета­болизма, необходимых для поддержания высокой скорости образования АТФ, а также вследствие накопления в клетке и крови молочной кислоты, образующейся при гидролизе АТФ. В конечном итоге развивается метаболический ацидоз, ограни­чивающий работоспособность и вызывающий утом­ление. Применение метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопии) теперь позволяет проследить in situ за вязанными с утомлением изменениями внутриклеточного рН и накоплением таких метаболитов, как фосфат и АДФ в сердечной и скелетной мускулатуре. Анаэробные процессы необходимы для обеспечения энергией не только кратковременного экстремального усилия, но и в начале продолжительной мышечной работы, пото­му что адаптация скорости окисления (и гликолиза) к возросшей нагрузке требует некоторого времени. Равновесное состояние, когда путем окислительного фосфорилирования в единицу времени образуется столько же АТФ, сколько расщепляется АТФазой, наступает только через 0,5-2 мин (“второе дыха­ние”).

До достижения этого динамического равновесия АТФ ресинтезируется по реакции Ломана из АДФ и креатинфосфата со скоростью, позво­ляющей поддерживать внутриклеточный уровень АТФ практически постоянным:

АДФ + креатинфосфат = АТФ + креатин

В результате внутриклеточный уровень креатинфо­сфата падает до тех пор, пока скорость аэробного образования АТФ не вырастет настолько, что будет удовлетворять текущие потребности мышцы. Запас креатинфосфата обычно не пополняется до тех пор, пока не закончится сокращение и реакция Ломана не пойдет в обратном направлении; в первые минуты покоя, требуемый для этого АТФ, обеспечивается окислительным фосфорилированием, т. е. реакция­ми с потреблением О₂. В результате покрывается кислородная задолженность (кисло­родный долг), которая приблизительно соответствует количеству энергии, полученному анаэробным путем в начале или во время работы мышцы и еще не компенсированному за счет аэроб­ного синтеза АТФ. Кислородная задолженность, целиком обусловленная (анаэробным) гидролизом креатинфосфата, может достигать 4 л; образование энергии путем гликолиза во время предельного физического усилия способно увеличить ее до 20 л, поскольку для удаления образовавшейся и поступившей в кровь (до 1,5 г/л) молочной кисло­ты необходим О₂. Часть лактата окисляется в мио­карде, а некоторое его количество (преимуществен­но в печени) используется для синтеза гликогена.

Таким образом, для активной деятельности мышцы не­обходим постоянный ресинтезАТФ. Запас АТФ в скелетных мышцах невелик — всего примерно на 10 одиночных сокращений. Не­обходимый постоянный ресинтез АТФ осу­ществляется тремя путями.

1. Ресинтез АТФ за счет ферментативного переноса фосфатной группы от богатого энергией креатинфосфата на аденозиндифосфорную кислоту. Этот эффективный путь по­зволяет за несколько секунд совершить боль­шую работу, которая выполняется, напри­мер, спринтером или штангистом. В случае интенсивной мышечной работы запасы креа­тинфосфата быстро истощаются и реализу­ются другие, более медленные способы по­полнения АТФ.

2. Гликолитический путь, связанный с анаэробным расщеплением глюкозы до мо­лочной кислоты. В результате образуются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. Этот способ ресинтеза АТФ идет быстро, но на­капливающаяся молочная кислота тормозит активность гликолитических ферментов. Этот вид энергопродукции используется при больших, но непродолжительных нагрузках, например при беге на средние дистанции, и способствует сдвигам кровообращения в ра­ботающей мышце для обеспечения адекват­ного хода третьего типа ресинтеза АТФ.

3. Аэробное окисление глюкозы и жирных кислот в цикле Кребса, совершаемое в мито-хондриях. При этом экономичном процессе из 1 молекулы глюкозы образуется около 38 молекул АТФ, а при окислении 1 молекулы жирной кислоты — около 128 молекул АТФ. Для получения энергии таким способом тре­буется больше времени, чем при первых двух способах, поэтому 3-й путь ресинтеза АТФ используется во всех случаях, когда мощность сократительной активности мышцы невысокая. Отметим, что аэробное окисле­ние глюкозы и жирных кислот (запасы сво­бодной глюкозы, гликогена и жиров в мыш­цах достаточно велики) — наиболее типич­ный способ энергообеспечения скелетных мышц. Однако при длительной работе в орга­низме накапливаются недоокисленные про­дукты (молочная кислота и др.). Создается кислородная задолженность. Такой долг по­гашается после работы за счет компенсатор-ной мобилизации кровообращения и дыха­ния (тахикардия, повышение кровяного дав­ления, одышка). Если же работа, несмотря на наличие кислородного долга, продолжается, наступает выраженное состояние утомления, которое иногда прекращается за счет моби­лизации дополнительных резервов кровооб­ращения и дыхания («второе дыхание» спорт­сменов).

Максимальная мощность путей ресинтеза АТФ:

− фосфагенный (с помощью креатинфосфата) − 3,6 моль АТФ/мин;

− гликолитический − 1,2 моль АТФ/мин;

− окислительный − при окислении глюкозы − 0,8, жиров − 0,4 моль АТФ/мин.

3.1.4. Биомеханика мышц

3.1.4.1. Типы и режимы мышечных сокращений

− В зависимости от условий, в которых про­исходит мышечное сокращение, различают два его основных типа — изотоническое и изо­метрическое. Сокращение мышцы, при ко­тором ее волокна укорачиваются, но напря­жение остается постоянным, называется изо­тоническим. Изометрическим является такое сокращение, при котором мышца укоро­титься не может, если оба ее конца закреп­лены неподвижно. В этом случае по мере раз­вития сократительного процесса напряже­ние возрастает, а длина мышечных волокон остается неизменной.

В натуральных двига­тельных актах сокращения мышц смешан­ные: даже поднимая постоянный груз, мыш­ца не только укорачивается, но и изменяет свое напряжение вследствие реальной на­грузки. Такое сокращение называется ауксотоническим.

−В зависимости от частоты стимуляции выделяют одиночные и тетанические со­кращения.

Одиночное сокращение (напряжение) возникает при действии на мышцу одиноч­ного электрического или нервного импульса. Волна возбуждения возникает в месте прило­жения электродов для прямого раздражения мышцы или в области нервно-мышечного соединения и отсюда распространяется вдоль всего мышечного волокна. В изотоническом режиме одиночное сокращение икроножной мышцы лягушки начинается через короткий скрытый (латентный) период — до 0,01 с, далее следуют фаза подъема (фаза укороче­ния) — 0,05 с и фаза спада (фаза расслабле­ния) — 0,05—0,06 с. Обычно мышца укорачи­вается на 5—10 % от исходной длины. Как известно, продолжительность волны возбуж­дения (ПД) мышечных волокон варьирует, составляя величину порядка 1—10 мс (с уче­том замедления фазы реполяризации в ее конце). Таким образом, длительность оди­ночного сокращения мышечного волокна, наступающего вслед за его возбуждением, во много раз превышает продолжительность ПД.

Мышечное волокно реагирует на раздра­жение по правилу «все или ничего», т.е. отве­чает на все надпороговые раздражения стан­дартным ПД и стандартным одиночным со­кращением. Однако сокращение целой мышцы при ее прямом раздражении находит­ся в большой зависимости от силы стимуля­ции. Это связано с различной возбудимостью мышечных волокон и разным расстоянием их от раздражающих электродов, что ведет к неодинаковому количеству активированных мышечных волокон. При пороговой силе стимула сокращение мышцы едва заметно, потому что в реакцию вовлекается лишь не­большое количество волокон. При увеличе­нии силы раздражения число возбужденных волокон растет, пока все волокна не окажут­ся сокращенными, и тогда достигается мак­симальное сокращение мышцы. Дальнейшее усиление стимулов прироста амплитуды со­кращения не вызывает.

В естественных условиях мышечные во­локна работают в режиме одиночных сокра­щений только при относительно низкой час­тоте импульсации мотонейронов, когда ин­тервалы между последовательными ПД мото­нейронов превышают длительность одиноч­ного сокращения иннервируемых ими мы­шечных волокон. Еще до прихода следующего импульса от мотонейронов мышечные во­локна успевают полностью расслабиться. Новое сокращение возникает после полного расслабления мышечных волокон. Такой режим работы обусловливает незначитель­ную утомляемость мышечных волокон. При этом ими развивается относительно неболь­шое напряжение.

Тетаническое сокращение — это дли­тельное слитное сокращение скелетных мышц. В его основе лежит явление суммации одиночных мышечных сокращений. При на­несении на мышечное волокно или целую мышцу двух быстро следующих друг за дру­гом раздражении возникающее сокращение будет иметь большую амплитуду. Сократи­тельные эффекты, вызванные первым и вто­рым раздражениями, как бы складываются, происходит суммация, или суперпозиция, со­кращений, поскольку нити актина и миозина дополнительно скользят друг относительно друга. При этом в сокращение могут вовле­каться ранее не сокращавшиеся мышечные волокна, если первый стимул вызвал у них подпороговую деполяризацию, а второй уве­личивает ее до критической величины. При получении суммации в одиночном волокне важно, чтобы второе раздражение наноси­лось после исчезновения ПД, т.е. после рефрактерного периода. Естественно, что супер­позиция сокращений наблюдается и при сти­муляции моторного нерва, когда интервал между раздражениями короче всей длитель­ности сократительного ответа, в результате чего и происходит слияние сокращений.

При сравнительно низких частотах насту­пает зубчатый тетанус, при большой часто­те — гладкий тетанус (рис. 13).

 

Рис. 13. Сокращения икроножной мышцы лягуш­ки при увеличении частоты раздражения седалищ­ного нерва. Суперпозиция волн сокращения и об­разование разных видов тетануса.

а — одиночное сокращение (Г = 1 Гц); б, в — зубчатый тетанус (Г= 15—20 Гц); г, д — гладкий тетанус и оптимум (Г = 25—60 Гц); е — пессимум — расслабление мышцы во время раздражения (Г= 120 Гц).

 

Их амплиту­да больше величины максимального одиноч­ного сокращения. Напряжение, развиваемое мышечными волокнами при гладком тетану­се, обычно в 2—4 раза больше, чем при оди­ночном сокращении. Режим тетанического сокращения мышечных волокон в отличие от режима одиночных сокращений быстрее вы­зывает их утомление и поэтому не может поддерживаться длительное время. Из-за укорочения или полного отсутствия фазы расслабления мышечные волокна не успева­ют восстановить энергетические ресурсы, из­расходованные в фазе укорочения. Сокраще­ние мышечных волокон при тетаническом режиме с энергетической точки зрения про­исходит «в долг».

До сих пор нет общепризнанной теории, объясняющей, почему напряжение, развиваемое при тетанусе, или супер­позиции сокращений, гораздо больше, чем при оди­ночном сокращении. Во время кратковременной активации мышцы вначале одиночного сокращения в поперечных мостиках между нитями актина и мио­зина возникает упругое напряжение. Однако недав­но было показано, что такой активации недостаточ­но для прикрепления всех мостиков. Когда она более длительная, обеспечиваемая ритмической сти­муляцией (например, при тетанусе), их прикрепляет­ся больше. Количество поперечных мостиков, свя­зывающих актиновые и миозиновые филаменты (а, следовательно, и развиваемая мышцей сила), согла­сно теории скользящих нитей, зависит от степени перекрывания толстых и тонких нитей, а значит, и от длины саркомера или мышцы.

Высвобождение Са²⁺ при тетанусе. Если стимулы поступают с высокой частотой (не менее 20 Гц), уровень Са²⁺ в интервалах между ними остается высоким, потому что кальциевый насос не успевает вернуть все ионы в продольную систему саркоплазматического ретикулума. В таких условиях отдельные сокращения почти пол­ностью сливаются. Это состояние устойчивого со­кращения, или тетанус, наблюдается в том случае, когда промежутки между стимулами (или потен­циалами действия в клеточной мембране) меньше примерно 1/3 длительности каждого из одиночных сокращений. Следовательно, частота стимуляции, необходимая для их слияния, тем ниже, чем больше их длительность; по этой причине она зависит от температуры. Минимальный промежуток времени между последовательными эффективными стиму­лами во время тетануса не может быть меньше рефрактерного периода, который приблизительно соответствует длительности потенциала действия.

Как выяснилось, амплитуда гладкого тета­нуса колеблется в широких пределах в зави-^\ симости от частоты стимуляции нерва. При некоторой оптимальной (достаточно высокой) частоте стимуляции амплитуда гладкого тетануса становится наибольшей. Такой гладкий тетанус получил название оптимума. При дальнейшем повышении частоты стиму­ляции нерва развивается блок проведения возбуждения в нервно-мышечных синапсах, приводящий к расслаблению мышцы в ходе стимуляции нерва — пессимум Введенского. Частота стимуляции нерва, при которой на­блюдается пессимум, получила название пессимальной (см. рис. 6.4).

В эксперименте легко обнаруживается, что уменьшенная в ходе пессимальной рит­мической стимуляции нерва амплитуда мы­шечного сокращения моментально возраста­ет при возвращении частоты раздражения от пессимальной к оптимальной. В этом на­блюдении — хорошее доказательство того, что пессимальное расслабление мышцы не является следствием утомления, истощения энергоемких соединений, а является следст­вием особых соотношений, складывающих­ся на уровне пост- и пресинаптических структур нервно-мышечного синапса. Пес­симум Введенского можно получить и при прямом, но более частом раздражении мыш­цы (около 200 имп/с).

Контрактура. Контрактурой называется состояние обратимого местного устойчивого сокращения. Оно отличается от тетануса отсутствием распространяющегося потенциала действия. При этом может наблюдаться длительная локальная деполяризация мышечной мембраны, например при калиевой контрактуре, или же мембранный потенциал, близкий к уровню покоя, в частности при кофеиновой контрактуре. Кофеин при нефизиологически высоких (миллимолярных) концентрациях проникает в мышечные волокна и, не вызывая возбуждения мембраны, способствует высвобождению Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума; в результате развивается контрактура. При калиевой контрактуре степень стойкой деполяризации и сократительного напряжения волокна зависит от концентрации К⁺ в наружном растворе.

3.1.4.2. Сила мышцы, ее работа и мощность

Благодаря упругости поперечных мостиков саркомер может развивать силу даже без скольжения нитей относительно друг друга, т. е. в строго изометрических экспериментальных условиях. Рис.14.Б иллюстрирует такой процесс генерирования изометрической силы. Сначала головка миозиновой моле­кулы (поперечный мостик) прикрепляется к актиновой нити под прямым углом. Затем она наклоняется под углом примерно 45°, возможно, благодаря притяжению между соседними точками прикрепления на ней и на актиновой нити. При этом головка действует как миниатюрный рычаг, приводя внутреннюю упругую структуру попереч­ного мостика (видимо, “шейки” между головкой и миози­новой нитью) в напряженное состояние. Возникающее в результате упругое растяжение достигает лишь около 10 нм. Упругое натяжение, создаваемое индивидуальным поперечным мостиком, так слабо, что для развития мы­шечной силы,

 

Рис. 14.Функция поперечных мостиков.

А. Модель механизма сокращения: миозиновая нить с поперечными мостиками, прикрепленными к соседним актиновым нитям; вверху - до, внизу - после “гребка” мостиков (на самом деле они функционируют асинхронно).

Б. Модель Хаксли [1974] механизма генерирования силы поперечными мостиками; слева - до, справа - после” гребка”. Поперечные мостики химически соответствуют субфрагменту миозина - “тяжелому меромиозину”, который состоит из субфрагментов I (головка) и II (шейка)

 

равной 1 мН, нужно объединить усилия по крайней мере миллиарда таких соединенных параллельно мостиков. Они будут тянуть соседние актиновые нити, каккоманда игроков тянет канат.

Даже при изометрическом сокращении поперечные мостики не находятся в непрерывно напряженном состоя­нии (это наблюдается только при трупном окоченении ). На самом деле каждая миозиновая головка уже через сотые или десятые доли секунды отделяется от актиновой нити; однако через такое же короткое время следует новое прикрепление к ней. Несмотря на ритмичное чередование прикреплений и отделений с частотой порядка5-50 Гц, сила, развиваемая мышцей в физиологических условиях, остается неизменной, так как статистически в каждый мо­мент времени в прикрепленном, обусловливающем напря­жение, состоянии находится одно и то же количество мостиков.

Мышца, поддержи­вающая определенное сократительное напряжение в изо­метрических условиях, отличается от сокращающейся изо­тонически тем, что не выполняет внешней работы (произ­ведение силы на расстояние равно нулю). Однако в каждом цикле прикрепления-отделения поперечных мостиков со­вершается внутренняя работа по растяжению их упругих структур, которая преобразуется в тепло в момент отсо­единения миозиновых головок. Теплота изометрического сокращения (“изометрическая работа”) за единицу време­ни возрастает с увеличением количества функциониру­ющих поперечных мостиков и частоты “гребков”, требу­ющих расхода АТФ.

Степень укорочения (величина сокращения) мышцы зависит от ее морфологических свойств и функционального состояния. В разных мышцах тела соотношение меж­ду числом медленных и быстрых мышеч­ных волокон неодинаково и очень сильно от­личается у разных людей, в разные периоды жизни.

При старении человека быстрые волокна в мышцах истончаются (гипотрофируются) быстрее, чем медленные волокна, быстрее уменьшается их число. Это связывается со снижением физической активности пожилых людей, с уменьшением физических нагрузок большой интенсивности, при которых требу­ется активное участие быстрых мышечных волокон.

Мышечная сила при прочих равных ус­ловиях определяется обычно поперечным се­чением мышцы. Сила, развиваемая мышцей или пучком мышечных волокон, соответствует сумме сил отдельных волокон. Чем толще мышца и больше “физиологическая” площадь ее поперечного сечения (сумма площадей поперечных сечений отдельных волокон), тем она сильнее. Например, при мышечной гипертрофии ее сила и толщина волокон возрастают в одинаковой степени.

В пересчете на единицу площади поперечного сечения (1см²) поперечнополосатые мышцы млекопитающих обычно развивают максимальную силу – более 40 Н, тогда как мышцы лягушки - лишь около 30 Н.

В некоторых мышцах (напри­мер, портняжной) все волокна параллельны длинной оси мышцы — параллельно-волок­нистый тип. В других (их большинство) — перистого типа — волокна расположены косо, прикрепляясь с одной стороны к цент­ральному сухожильному тяжу, а с другой — к наружному сухожильному футляру. Попере­чное сечение этих мышц существенно разли­чается. Физиологическое поперечное сече­ние, т.е. сумма поперечных сечений всех во­локон, совпадает с геометрическим только в мышцах с продольно расположенными во­локнами, у мышц с косым расположением волокон. Первое может значительно превосхо­дить второе.

«Общая» сила мышцы − определяется максимальным напряжением в килограммах, ко­торое она может развить. Чем больше физиологическое поперечное сечение мышцы, тем больше груз, который она в состоянии поднять. По этой причине сила мышцы с косо расположенными волок­нами больше силы, развиваемой мышцей той же толщины, но с продольным расположени­ем волокон.

Для сравнения силы разных мышц используется понятие «удельная сила мышцы». Удельная сила мышц − это максимальный груз, который они в со­стоянии поднять, делённый на площадь их фи­зиологического поперечного сечения [кг/см²]. Вычисленная таким обра­зом сила (в килограммах на 1 см²) для трех­главой мышцы плеча человека — 16,8, дву­главой мышцы плеча — 11,4, сгибателя пле­ча — 8,1, икроножной мышцы — 5,9, гладких мышц — 1.

Величина сокращения мышцы при данной силе раздражения зависит от ее функциональ­ного состояния. Так, если в результате дли­тельной работы развивается утомление мышцы, то величина ее сокращения снижа­ется. Характерно, что при умеренном растя­жении мышцы ее сократительный эффект увеличивается, но при сильном растяжении уменьшается. Справедливость этих законо­мерностей можно продемонстрировать в опыте с дозированным растяжением мышцы и легко объяснить разным числом актомиозиновых мостиков, формирующихся при раз­личной степени растяжения мышечного во­локна и соответственно перекрытия толстых и тонких нитей (рис. 15).

Оказывается, если мышца перерастянута так, что тонкие и толстые нити ее саркомеров не перекрываются, то общая сила мышцы равна нулю. По мере приближения к натуральной длине покоя, при которой все головки миозиновых нитей способны кон­тактировать с актиновыми нитями, сила мы­шечного сокращения вырастает до максиму­ма. Однако при дальнейшем уменьшении длины мышечных волокон из-за «заползания» тонких нитей в соседние саркомеры и уменьшения возможной зоны контакта нитей актина и миозина сила мышцы снова уменьшается. Подсчитано, что одиночное мышеч­ное волокно способно развить напряжение 100-200 мг.

Рис. 15. Зависимость силы сокращения мышеч­ного волокна от степени его растяжения, изменя­ющего взаимоотношения актиновых и миозиновых миофиламентов.

На абсциссе — длина саркомеров, на ординате — степень укорочения (%) от исходной длины волокон в состоянии покоя при длине саркомера 2,2 мкм.