Мышечная ткань
1. Научно-методическое обоснование темы
мышца биохимия белок
Мышечная ткань взрослого человека составляет 40-42% (у пожилых людей - 30% , у детей - 35%) от массы тела. Основная динамическая функция мышц - обеспечить подвижность путем сокращения и последующего расслабления. При сокращении мышц осуществляется работа, связанная с превращением химической энергии в механическую.
К мышечной ткани относятся (типы):
? скелетная мускулатура (поперечно-полосатые относятся мышцы языка и верхней трети пищевода, внешние мышцы глазного яблока и некоторые другие);
? сердечная мышца;
? гладкая мускулатура.
Отличаются они друг от друга морфологически, биохимически, функционально, а так же в зависимости от путей развития.
Морфологически миокард относится к поперечно-полосатой мускулатуре, но по ряду других признаков он занимает промежуточное положение.
2. Поперечно-полосатая мышца
Морфологическая организация поперечно-полосатой мышцы
Поперечно-полосатая мышца состоит из многочисленных удлиненных волокон, миобластов (многоядерных клеток гигантских размеров), покрытых эластичной оболочкой - сарколеммой (рис. 1). Двигательные нервы входят в различных точках в мышечное волокно и передают ему электрический импульс, вызывающий сокращение. Диаметр функционально зрелого поперечно-полосатого мышечного волокна обычно составляет от 10 до 100 мкм, а длина волокна часто соответствует длине мышцы.
Миобласты состоят из миофибрилл, функциональной единицей которых является саркомер. Миофибриллы расположены по длине волокна в полужидкой саркоплазме (толщиной менее 1 мкм), обладающих поперечной исчерченностью (зависящая от оптической неоднородности белковых веществ).
Выделяют белые и красные (с высоким содержанием миофибрилл и миоглобина, обеспечивают более быстрые мышечные сокращения, тонического характера) мышечные волокна.
Рис. 1. Структура волокна скелетной мышцы (по Гассельбаху).
I - А-диск; II - I-диск; III - Н-зона; 1 - Z-линия; 2 - Т-система; 3 - саркоплазматическая сеть; 4 - устье Т-системы; 5 - гликоген; 6 - митохондрия; 7 - сарколемма
В саркоплазме мышечных волокон обнаруживается и ряд других структур: митохондрии, микросомы, рибосомы, трубочки и цистерны саркоплазматической сети, различные вакуоли, глыбки гликогена и включения липидов, играющие роль запасных энергетических материалов, и т.д. (рис. 1).
При рассмотрении миофибриллы под электронным микроскопом видны два типа вытянутых нитей: темные и светлые полосы или диски (А и I диски).
Один тип -- это толстая нить, соответствующая А диску (анизотропный диск). Центральная зона А диска (H зона) при этом кажется менее оптически плотной, чем остальная его часть. В центре диска А расположена линия М, которую можно наблюдать только в электронном микроскопе.
Второй тип -- тонкая нить, расположена в I диске и проходит в А диск, не достигая Н зоны. Диск I (изотропный диск), с очень слабым двойным лучепреломлением. В фазово-контрастном микроскопе они кажутся более светлыми, чем диски А. Длина дисков I около 1 мкм. Каждый из них разделен на две равные половины Z-мембраной, или Z-линией.
Рис. 2. Строение саркомера скелетной мышцы.
а - схематическое изображение структуры саркомера; б - расположение толстых и тонких нитей (поперечное сечение).
Толстые нити состоят из белка миозина, и тонкие - как правило, из второго компонента актомиозиновой системы - белка актина. Тонкие (актиновые) нити начинаются в пределах каждого саркомера у Z-линии, тянутся через диск I, проникают в диск А и прерываются в области зоны Н (рис. 2). Согласно модели, предложенной Э. Хаксли и Р. Нидергерке, а также X. Хаксли и Дж. Хенсон, при сокращении миофибрилл одна система нитей проникает в другую, т.е. нити начинают, как бы скользить друг по другу, что и является причиной мышечного сокращения.
Химический состав поперечно-полосатой мышцы
В мышечной ткани взрослых животных и человека содержится от 72 до 80% воды. Около 20-28% от массы мышцы приходится на долю сухого остатка, главным образом белков. Помимо белков, в состав сухого остатка входят гликоген и другие углеводы, различные липиды и др.
Таблица 1. Химический состав поперечно-полосатой мышц млекопитающих
Данилевский впервые разделил экстрагируемые из мышц белки на 3 класса: растворимые в воде, экстрагируемые 8-12 % раствором хлорида аммония и белки, извлекаемые разбавленными растворами кислот и щелочей.
Около 25 % массы мышц составляют белки. В настоящее время их делят на три основные группы:? миофибриллярные (сократительные) белки (35% от общего количества мышечного белка); ? белки саркоплазмы (45%);? белки стромы (20%). Эти группы белков резко отличаются друг от друга по растворимости в воде и солевых средах с различной ионной силой.
3.Миофибриллярные (сократительные) белки
К группе миофибриллярных белков относятся миозин, актин и актомиозин - белки, растворимые в солевых средах с высокой ионной силой, и так называемые регуляторные белки: тропомиозин, тропонин, б- и в-актинин, образующие в мышце с актомиозином единый комплекс. Перечисленные миофибриллярные белки тесно связаны с сократительной функцией мышц.
1. Миозин (рис. 3) основа толстых нитей, составляет 50-55% от сухой массы миофибрилл. Молекулярная масса ? 500 кДа. Представление о миозине как о главном белке миофибрилл сложилось в результате работ А.Я. Данилевского, О. Фюрта, Э. Вебера и ряда других исследователей. Однако всеобщее внимание к миозину было привлечено лишь после опубликования работ В.А. Энгельгардта и М.Н. Любимовой (1939-1942). В этих работах впервые было показано, что миозин обладает АТФ-азной активностью, т.е. способностью катализировать расщепление АТФ на АДФ и Н3РО4. Химическая энергия АТФ, освобождающаяся в ходе данной ферментативной реакции, превращается в механическую энергию сокращающейся мышцы. Молекула миозина имеет вытянутую часть, состоящую из двух спиралей, накрученных одна на другую. Каждая спираль имеет на одном конце глобулярную головку и называется тяжёлой цепью. Возле головок спиралей располагается по 2 лёгких цепи. При обработке ферментами молекула миозина распадается на 2 больших фрагмента: тяжёлый меромиозин (обе головки и часть двойной спирали) и лёгкий меромиозин (остальная часть двойной спирали).
Рис. 3. Строение молекулы миозина. Объяснение в тексте.
Тяжелые цепи образуют длинную закрученную б-спираль («хвост» молекулы), конец каждой тяжелой цепи совместно с легкими цепями создает глобулу («головка» молекулы), способную соединяться с актином. Легкие цепи, находящиеся в «головке» миозиновой молекулы, принимают участие в проявлении АТФ-азной активности миозина, гетерогенны по своему составу. Количество легких цепей в молекуле миозина у различных видов животных и в разных типах мышц неодинаково.
Толстые нити (толстые миофиламенты) в саркомере образование, полученное путем соединения большого числа определенным образом ориентированных в пространстве молекул миозина (рис.4).
Рис. 4. Строение толстого миозинового филамента.
Функции миозина:
? структурная -- около 400 молекул миозина соединяются между собой «хвост» в «хвост» и образуют толстую нить;
? каталитическая -- головка миозина способна расщеплять АТФ;
? контактная -- соединяется с актином своими головками, которые в таком случае называются «поперечные мостики».
2. Актин - белок тонких нитей, составляющий 20% от сухой массы миофибрилл, был открыт Ф. Штраубом в 1942 г. Молекулярная масса -- 42 кДа. Известны две формы актина: глобулярный актин (G-актин, globular) и фибриллярный актин (F-актин) в виде двойной спирали. Молекула G-актина состоит из одной полипептидной цепочки (глобула), в образовании которой принимают участие 374 АМК остатка. При повышении ионной силы до физиологического уровня G-актин полимеризуется в F-актин (фибриллярная форма). На электронных микрофотографиях волокна F-актина выглядят как две нити бус, закрученных одна вокруг другой (рис. 5).
Рис. 5. Схематическое изображение F-актина
Актомиозин образуется при соединении миозина с F-актином. Актомиозин, как естественный, так и искусственный, т.е. полученный путем соединения in vitro высокоочищенных препаратов миозина и F-актина, обладает АТФ-азной активностью, которая отличается от таковой миозина, она значительно возрастает в присутствии стехиометрических количеств F-актина. Фермент актомиозин активируется ионами Mg 2+ и ингибируется этилендиаминтетраацетатом (ЭДТА) и высокой концентрацией АТФ, тогда как миозиновая АТФ-аза ингибируется ионами Mg2+, активируется ЭДТА и не ингибируется высокой концентрацией АТФ. Оптимальные значения рН для обоих ферментов также различны.
3. Тропомиозин (открыт К. Бейли в 1946 г.) - белок тонких нитей. Молекулярная масса--65 кДа. Состоит из двух б-спиралей в форме палочки. Располагается в бороздках, идущих вдоль обеих сторон актина. Каждая его молекула лежит на 7 молекулах актина. На долю тропомиозина приходится около 4-7% всех белков миофибрилл.
4. Тропонин - глобулярный белок тонких нитей, открытый С. Эбаси в 1963 г.; его мол.масса 80кДа. Состоит из 3 субъединиц: С-кальцийсвязывающий, обеспечивает связь с тропомиозином (Тн-С); I-ингибиторная (Тн-I), которая блокирует преждевременное соединение головок миозина с актином, может ингибировать АТФ-азную активность; Т-для связывания с тропомиозином (Тн-Т).
В скелетных мышцах взрослых животных и человека тропонин (Тн) составляет лишь около 2% от всех миофибриллярных белков
Тропонин, соединяясь с тропомиозином, образует комплекс, названный нативным тропомиозином. Этот комплекс прикрепляется к актиновым филаментам и придает актомиозину скелетных мышц позвоночных чувствительность к ионам Са2+ (рис. 6).
Рис. 6. Структура тонкого филамента. 1 - актин; 2 - тропомиозин; 3 - тропонин С; 4 - тропонин I; 5 - тропонин Т.
Установлено, что тропонин (его субъединицы Тн-Т и Тн-I) способен фосфорилироваться при участии цАМФ-зависимых протеинкиназ. Вопрос о том, имеет ли отношение фосфорилирование тропонина in vitro к регуляции мышечного сокращения, остается пока открытым.
5. б-актинин. Входит в Z-линию и фиксирует там тонкие нити. 6. в-актинин. Регулирует длину тонких нитей.7. М-белок. Входит в М-линию и фиксирует там толстые нити. 8. С-белок. Регулирует длину толстых нитей. 9. Десмин. Содержится между Z-линиями соседних миофибрилл, обеспечивая совпадение границ всех их саркомеров.
Белки саркоплазмы - протеины, растворимые в солевых средах с низкой ионной силой. Глобулин X представляет собой смесь различных белковых веществ со свойствами глобулинов. В состав белков группы миогена входит ряд протеинов, наделенных ферментативной активностью: например, ферменты гликолиза. Дыхательный пигмент миоглобин и разнообразные белки-ферменты, локализованные главным образом в митохондриях и катализирующие процессы тканевого дыхания, окислительного фосфорилирования, а также многие стороны азотистого и липидного обмена. Парвальбумины (кальмодулин и кальсеквестрин и др.), которые способны связывать ионы Са2+.
Таким образом, к белкам саркоплазмы можно отнести: миоглобин, ферменты гликолиза, кальмодулин и кальсеквестрин, способные обратимо связываться с ионами Са2+.
Белки стромы. Это коллаген и эластин. Известно, что строма скелетных мышц, остающаяся после исчерпывающей экстракции мышечной кашицы солевыми растворами с высокой ионной силой, состоит в значительной мере из соединительнотканных элементов стенок сосудов и нервов, а также сарколеммы и некоторых других структур.
4.Небелковые азотистые экстрактивные вещества
В скелетных мышцах содержится ряд важных азотистых экстрактивных веществ: адениновые нуклеотиды (АТФ, АДФ и АМФ), нуклеотиды неаденинового ряда, креатинфосфат, креатин, креатинин, карнозин, ансерин, свободные аминокислоты и др.
1.Креатина и креатинфосфат - составляют до 60% небелкового азота мышц. Они участвуют в химических процессах, связанных с мышечным сокращением.
Синтез креатина происходит в печени, откуда с током крови он заносится в мышечную ткань где, фосфорилируясь, превращается в креатинфосфат. В синтезе креатина участвуют три аминокислоты: аргинин, глицин и метионин.
Карнозин (открыт В.С. Гулевичем в 1900 г.) и ансерин (метилированное производное карнозина ансерин) - специфические азотистые имидазолсодержащие дипептиды скелетной мускулатуры позвоночных. Они увеличивают амплитуду мышечного сокращения, предварительно сниженную утомлением. Работами акад. С.Е. Северина показано, что они не влияют непосредственно на сократительный аппарат, но увеличивают эффективность работы ионных насосов мышечной клетки.
Свободные аминокислоты мышц: глутаминовая кислота (до 1,2 г/кг), глутамин (0,8-1,0 г/кг).
А так же в состав мембран мышечной ткани входят: ряд фосфоглицеридов: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин; фосфоглицериды принимаютучастие в обменных процессах; мочевина, мочевая кислота, аденин, гуанин, ксантин и гипоксантин - встречаются в небольшом количестве и являются либо промежуточными, либо конечными продуктами азотистого обмена.