Механизъм на мускулното съкращение на напречнонабраздените мускули

По време на мускулното съкращение мускулът се скъсява вследствие на промяна във взаимното положение на актиновите и миозиновите нишки. Механизмът, по който се осъществява мускулното съкращение на напречнонабраздените мускули, се обяснява с „теорията на приплъзващите се филаменти“. Тази теория се подкрепя от факта, че при съкращението на мускула анизотропната зона запазва дължината си, а изотропната и саркомерът се скъсяват. При нормални условия съкращенията на скелетните мускули не са спонтанни, а започат винаги след съответно дразнене. Това е основната разлика между гладките и напречнонабраздените мускули.

Електронномикроскопски и рентгеноструктурен анализ показват, че при съкращение на миофибрилите се наблюдава плъзгане на актиновите нишки между миозиновите. В случаи на голямо мускулно съкращение срещуположните актинови нишки се препокриват, като при крайна възможна степен на съкращение двете Z-мембрани достигат краищата на миозиновите нишки и започват да ги деформират. Приплъзването на актиновите нишки се извършва благодарение наличието на напречни мостчета между главите на миозиновите нишки.

Теория на приплъзването

Теорията на приплъзането е създадена от Ходжкин-Хъксли. Причината за приплъзването е образуването на напречни мостчета между актина и миозина. Това се осъществява между активните центрове на актина и главите на миозина при повишаване на концентрацията на калциевите йони и при наличието на АТФ. Миозиновите глави са разположени напречно, почти под прав ъгъл (90⁰) спрямо дългата ос на миозиновата нишка. След прикрепването на актина и разпадането на АТФ, главите претърпяват конформационни промени и ориентацията им се променя на около 45⁰. Като резултат от това се наблюдава придръпването на актиновите нишки към централната зона на саркомера. Следва разпадане на напречното мостче, връщане на главата към първоначалното и положение и повторение на цикъла.

Химиомеханично свързване

За да се осъществи мускулното съкращение, е необходимо енергията освободена от АТФ да се превърне в механична работа. Това се осъществява чрез цикъла на Лимн-Тейлър.

Енергията необходима за осъществяването на приплъзането на актиновите спрямо миозиновите нишки се получава от разграждането на АТФ до АДФ. Няколко са фазите, в които протича този процес. Схематично може да бъде представен по следния начин:

1) М + АТФ -> М.АТФ

2) М.АТФ -> М.АДФ.Ф

3) М.АДФ.Ф -> М + АДФ + Ф

В първата реакция АТФ се съединява с миозина (М) и тъй като миозинът е АТФ-аза, бързо се дехидратира до АТФ и фосфатен остатък (втората реакция от схемата). Третата реакция се осъществява бавно и това ограничава скоростта на целия процес при спокойния мускул. При нея се осъществява дисоциацията на АДФ и Ф от М.

4) А+ М.АДФ.Ф -> АМ.АДФ.Ф

5) АМ.АДФ.Ф -> АМ + АД + Ф

В четвъртата реакция, при мускулното съкращение се образува актомиозин (АМ). Последният е ензим, който рязко ускорява дисоциацията протичаща в третата реакция, като заедно с това целия процес на освобождаване на енергия при разграждането на АТФ. Тази пета реакция протича около 400 пъти по-бързо в сравнение с третата реакция.

Връзката между актина (А) и миозина (М) се установява лесно, когато миозиновите глави са свързани с АДФ, но когато тя се осъществява с АТФ - връзката между тях се осъществява изключително трудно. Поради тази причина присъединяването на АТФ към миозиновите глави води до разкъсване на връзката между актина и миозина - този процес може да бъде представен схематично по следния начин, като реакцията се причислява към първата:

1а) АМ + АТФ -> А + М.АТФ

Това е реакцията, с която цикълът започва отново (реакция 1а, 2, 4, 5). Мускулното съкращение се осигурява от многократно повторение на този цикъл от реакции, при което се сумират резултатите от редица последователни цикли. Колкото повече миозинови глави участват в приплъзването на всяка актинова нишка, толкова е по-голямо количеството енергия, което се освобождава от АТФ. Това количество енергия се превръща в механична работа и следователно толкова по-голяма е силата на мускулното съкращение.

Механизъм на мускулното съкращение

При покой концентрацията на свободните калциеви катиони в саркоплазмата е ниска. Тя се подържа такава благодарение на дейността на Ca²⁺-помпа на сакроплазмения ретикулум, както и от 3Na⁺/1Ca²⁺ антипорт на сарколемата. Транспортът на сарколемата се стреми да изхвърли калциевите йони навън към екстрацелуларната течност, а транспортът свързан със саркоплазмения ретикулум ги задържа в мускулното влакно. Въпреки това малко количество калций се изнася активно навън, но след това се връща през Ca²⁺-каналчета на сарколемата и на Т-каналчетата. Благодарение на тези транспортни механизми, общото количество калций в мускулното влакно остава постоянно.

Мускулното съкращение започва тогава когато концентрацията на калиевите йони в саркоплазмата се повиши. Съкращението е процес, който винаги е следствие от възбуждането. Между възбуждането и съкращението съществува електромеханична връзка, дължаща се на мускулната триада (Т-каналчето с прилежащите му разширения на саркоплазмения ретикулим) или на контактът между Т-каналчето и цистерната.

Деполяризацията на Т-каналчето причинява конформационни промени, които водят до отваряне на калциевите каналчета на цистерните на саркоплазмения ретикулум. През тях излиза значително количество калций, който попада в саркоплазмата и чрез дифузия достига до миофиламентите. Цялото необходимо количество калций за мускулното съкращение идва от саркоплазмения ретикулум. Силата на съкращението зависи от концентрацията на калций в саркоплазмата. Колкото по-висока е тя, толкова по-голяма е силата на съкращението.

След като концентрацията на калция се повиши и йоните достигнат до мускулното влакно се задействат поредица от процеси, които в крайна сметка водя до съкращение на мускулното влакно.

1. Ca²⁺ се свързва с тропонин С. Това води до промяна в конфигурацията на тропониновата молекула и тропонинът премества тропомиозина към браздата между двете актинови вериги. Отместването на тропомиозина води до откриване на активните центрове на актина. Така те стават достъпни за миозина.
2. Всяка миозинова глава се свързва с една молекула АТФ. При покой активността на миозиновата АТФ-аза е слаба и тя само частично хидролизира АТФ с участието на Mg²⁺. При тази частична хидролиза връзката между АДФ и фосфат се разкъсва, но продуктите от разграждането остават свързани с миозина. При наличието на частично хидролизиран АТФ миозиновата глава стърчи перпендикулярно и има висок афинитет за свързване към актина. Повишаването на концентрацията на калциевите йони в саркоплазмата води до свързване на миозиновите глави с актина. При това взаимодействие се активира миозиновата АТФ-аза. Това се последва от отделяне на фосфата, а след това и на АДФ, при което се освобождава енергия. Отделянето на фосфата се съпровожда със заздравяване на връзката между актина и миозина и намаляване на ъгъла, който дебелата нишка сключва с оста. При преместването на миозиновата глава тя дърпа тънката нишка и я премества към М-линията. След това миозиновата глава свързва нова молекула АТФ, което се съпровожда с намаляване на афинитета на актина към миозина и миозиновата глава се отделя от тънката нишка. След частична хидролиза на АТФ главата се изправя и заема първоначалното си положение. В същото време афинитетът на миозина към актина се повишава. Ако активните центрове на актина са все още свободни, миозиновата глава се свързва с тях, но този път с друга актинова молекула. Всички тези процеси са част от цикъла на напречното мостче, наречен още цикъл на миозиновата глава.
3. Ca²⁺ излиза от цистерните на саркоплазмения ретикулум докато мембраната на Т-каналчетата е деполяризирана. При реполяризация на мембраната, калциевите каналчета се затварят. Калциевите йони дифундират в цитозола на мускулното влакно. Повишената им концентрация в саркоплазмата активира калциевата помпа на саркоплазмения ретикулум и връща калция в цистерните. Тропонинът се освобождава от калций, променя своята конфигурация и връща тропомиозина в началното му положение. Активните центрове на актина се блокират от тропомиозина. Така съкращението на мускулното влакно се прекратява.

Върху един актинов филамент действат множество миозинови глави, защото всяка тънка нишка е заобиколена от 3 дебели нишки. Общият брой на миозиновите глави, които дърпат актиновата нишка зависи от степента на припокриване на актиновите и миозиновите филаменти. При съкращаването на саркомерите, дължината на техните миофиламенти не се променя. Тънките и дебелите нишки само се плъзгат една спрямо друга, без да се скъсяват или удължават. По време на съкращение тънките нишки навлизат между миозиновите, достигат М-линията и малко я задминават. Актиновите нишки са здраво прикрепени към Z-диска. По тази причина при тяхното движение той също се премества и се приближава към А-ивицата.

Отделянето на фосфата и на АДФ от миозиновата глава води до конформационни промени в нея. Главата има леко удължена форма, като с единия си край се залавя за шийката на миозиновата молекула, а с другия си край за актина. Шийката има еластични свойства. Степента на разтягането и е мярка за силата, с която миозиновата глава дърпа актиновата нишка. Тази сила е променлива величина, която зависи от скоростта, с която тази нишка се движи към М-линията. При намаляване на скоростта силата нараства.