Гистогенез, морфо-функциональные и гисто-химические особенности мышечной ткани. Механизм мышечного сокращения

 Строение клеток. Гладкий миоцит – веретеновидная  клетка длиной 20 – 500 мкм, шириной  5 – 8 мкм (рис.3). 

 Ядро палочковидное,  находится в ее центральной  части. Когда миоцит сокращается,  его ядро изгибается и даже  закручивается. Органеллы общего  значения, среди которых много  митохондрий, сосредоточены около  полюсов ядра

(в эндоплазме). Аппарат  Гольджи и гранулярная эндоплазматическая  сеть развиты слабо, что свидетельствует  о малой активности синтетических  функций. Рибосомы в большинстве  своем расположены свободно. 

 Мышечная ткань  мезенхимного типа в составе  органов 

 Миоциты объединяются  в пучки, между которыми располагаются  тонкие прослойки соединительной  ткани. В эти прослойки вплетаются  ретикулярные и эластические  волокна, окружающие миоциты.  В прослойках проходят кровеносные  сосуды и нервные волокна. Терминали  последних оканчиваются не непосредственно  на миоцитах, а между ними. Поэтому  после поступления нервного импульса  медиатор распространяется диффузно, возбуждая сразу многие клетки. Гладкая мышечная ткань мезенхимного  происхождения представлена главным  образом в стенках кровеносных  сосудов и многих трубчатых  внутренних органов, а также  образует отдельные мелкие мышцы

(цилиарные). 

 Гладкая мышечная  ткань в составе конкретных  органов имеет неодинаковые функциональные  свойства. Это обусловлено тем,  что на поверхности органов  имеются разные рецепторы к  конкретным биологически активным  веществам.

 Поэтому и на  многие лекарственные препараты  их реакция неодинакова.

 Возможно, разные  функциональные свойства тканей  связаны и с конкретной молекулярной  организацией актиновых филаментов. 

 Мышечная ткань  эпидермального происхождения 

 Миоэпителиальные  клетки развиваются из эпидермального  зачатка. 

Они встречаются  в потовых, молочных, слюнных и  слезных железах и имеют общих  предшественников с их секреторными клетками. Миоэпителиальные клетки непосредственно  прилежат к собственно эпителиальным  и имеют общую с ними базальную  мембрану. При регенерации те и  другие клетки тоже восстанавливаются  из общих малодифференцированных предшественников.

 Большинство миоэпителиальных  клеток имеют звездчатую форму.  Эти клетки нередко называют  корзинчатыми: их отростки охватывают  концевые отделы и мелкие протоки  желез (рис.4). В теле клетки  располагаются ядро и органеллы  общего значения, а в отростках  – сократительный аппарат, организованный, как и в клетках мышечной  ткани мезенхимного типа. 

 Мышечная ткань  нейрального происхождения 

 Миоциты этой  ткани развиваются из клеток  нейрального зачатка в составе  внутренней стенки глазного бокала. Тела этих клеток располагаются  в эпителии задней поверхности  радужки. Каждая из них имеет  отросток, который направляется  в толщу радужки и ложится  параллельно ее поверхности. В  отростке находится сократительный  аппарат, организованный так же, как и во всех гладких миоцитах. В зависимости от направления  отростков

(перпендикулярно  или параллельно краю зрачка) миоциты образуют две мышцы  – суживающую и расширяющую  зрачок. 

 Сокращение мышц 

 Теория скольжения  нитей 

 Н.Е. Huxley и A.F. Huxley независимо друг от друга в  1954 г. предложили для объяснения  механизма мышечного сокращения  теорию скольжения нитей.

 Согласно данной  теории, укорочение саркомера, а,  следовательно, и мышечного волокна  в момент сокращения происходит  благодаря активному скольжению  тонких (актиновых) нитей относительно  толстых (миозиновых) нитей.

 Укорочение заканчивается,  когда актиновые филаменты глубоко  втягиваются по направлению к  центру диска, который определяет  границы саркомеров. При расслаблении  или растяжении мышцы область  взаимного перекрывания тонких  и толстых филаментов сужается. 

 Скользящее движение  миозиновых и актиновых филаментов  друг относительно друга обусловлено  силами, генерируемыми при взаимодействии  поперечных мостиков с актиновыми  филаментами. 

 Поперечные мостики  должны последовательно прикрепиться  к актиновому филаменту, развить  силу, отойти и вновь прикрепиться  в другом месте. Для того  чтобы поддерживать активное  сокращение, поперечные мостики  должны работать асинхронно, т.е.  в любой момент времени часть  из них прикреплена к актину, тогда как другие отсоединены.  После отсоединения поперечный  мостик должен вновь прикрепиться  к актиновому филаменту, но  уже дальше, в сторону

Z-пластинок, внося  тем самым вклад в активное  скольжение вдоль указанного  направления. 

 Один из основных  вопросов по поводу функционирования  поперечных мостиков относится  к преобразованию химической  энергии в механическую. Как же  все-таки поперечные мостики генерируют  силу для скольжения толстых  и тонких филаментов друг относительно  друга? По этому поводу высказан  ряд гипотез. Широкое распространение  получила точка зрения, что сила  генерируется за счет колебания  или вращения миозиновой головки  и затем передается на толстую  нить через шейку молекулы  миозина. Шейка образует мостиковый  шарнир, расположенный между головкой  миозиновой молекулы и толстым  филаментом. В данной гипотезе  мостиковый шарнир выступает  как соединение между головкой  миозина и толстым филаментом, которое передает силу, развиваемую  при вращении головки на актиновом  филаменте. 
 

 Исследования  механических свойств сокращающейся  мышцы, проведенные

 Хаксли и Симмонсом,  подтвердили такую точку зрения  на функцию поперечных мостиков. Авторы показали, что основная  часть упругого компонента мышцы,  включенная последовательно с  сократительным элементом, находится  в самих поперечных мостиках, предположительно в мостиковом  шарнире. Они высказали мысль,  что упругое растяжение шарнира  служит важным моментом в процессе  запасания механической энергии  при вращении головки миозина  вокруг актинового филамента.  В соответствии с данной гипотезой  вращение генерируется несколькими  центрами миозиновой головки, которые поочередно взаимодействуют с центрами на актиновом филаменте. 

 Упругость мостикового  шарнира способствует вращению  головки без заметных скачкообразных  колебаний развиваемой силы. Растянувшись, мостиковый шарнир будет передавать  свое усилие толстому филаменту  мягко, содействуя активации скольжения  филаментов. Один из главных аргументов-это  то, что, по данным Хаксли и  Симмонса, последовательно соединенный  упругий компонент мышечного  волокна пропорционален величине  взаимного перекрывания тонких  и толстых филаментов, а следовательно,  пропорционален числу присоединенных  поперечных мостиков. Авторы также  установили, что внезапно возникающее  небольшое укорочение сопровождается  очень быстрым возрастанием развиваемого  усилия; они объясняют это лишь  поворотом головок поперечных  мостиков, взаимодействующих с актином,  в более стабильное положение. 

 Роль кальция  в процессе сокращения 

 Данные о роли  ионов кальция в сократительной  активности мышц накапливались  довольно медленно. Кальций активен  в саркоплазме при такой низкой (10-6 М и менее) концентрации, что  до открытия кальцийхелатных  реагентов, например ЭДТА и  ЭГТА, ее невозможно было поддерживать  в экспериментальных растворах.  Дело в том, что даже в  бидистиллированной воде концентрация  ионов кальция превышает 10-6 М.  Самые первые доказательства  физиологической роли Са2+ представлены  в работах Рингера и Бакстона. Авторы обнаружили, что изолированное  сердце лягушки прекращает сокращения  при отсутствии кальция в омывающем  растворе. Так появились раствор  Рингера и другие физиологические  солевые растворы. 

 Камада и Киносита, а затем Хейлбрун и Вертинский  проверяли участие Са2+ в регуляции  мышечного сокращения путем введения  разных катионов внутрь мышечных  волокон. Из всех изученных  ионов только кальций вызывал  сокращение при концентрациях,  соизмеримых с концентрациями  Са2+ обычно наблюдаемыми в живой  ткани. Впоследствии было обнаружено, что скелетная мышца не сокращается  в ответ на деполяризацию мембраны, если исчерпаны запасы кальция  во внутренних депо, а подвергнутые  предварительной экстракции препараты  волокон скелетной мышцы не  сокращаются при добавлении АТФ,  если отсутствует Са2+. 

 Количественная  зависимость между концентрацией  свободного Са2+ в саркоплазме  и силой мышечного сокращения  была установлена сравнительно недавно. Для проведения анализа удаляли поверхностную мембрану и оголенные миофибриллы обрабатывали растворами кальция различной концентрации. Сила возрастает от нуля при концентрации кальция около 10-8 М до максимального значения при концентрации кальция около 5х10-6 М. Данная зависимость между силой и концентрацией Са2+ аналогична зависимости между АТФазной активностью (скоростью гидролиза АТФ) гомогенизированных миофибрилл и концентрацией Са2+. Такое совпадение характеристик наводило на мысль, что

 Са2+ служит кофактором  АТФазной активности миозина.  Но оказалось, что это не  так. 

 АТФазная активность  чистого раствора миозина довольно  низкая, но сильно возрастает  при добавлении очищенного актина. Это указывает на то, что

 АТФазный центр  миозина активируется при связывании  миозина с актином. В интактной  мышце активация АТФазного центра  миозина осуществляется при присоединении  поперечного мостика к активному  филаменту. Эксперименты, проведенные  в лаборатории Эбаши, показали, что тропонин и тропомиозин,  лежащие вдоль актиновой спирали,  препятствуют присоединению миозиновых  поперечных мостиков к актину. Тропонин – единственный белок  в актиновых и миозиновых филаментах  поперечнополосатых мышц позвоночных  животных, имеющий высокое химическое  сродство к Са2+. Каждый тропониновый  комплекс связывает четыре иона  кальция. Тропониновые комплексы  расположены вдоль актинового  филамента через каждые 40 нм, прикрепляясь  одновременно к актиновому филаменту  и молекуле тропомиозина. В состоянии  покоя положение тропомиозина  конформационно препятствует соединению  головок миозина с актиновым  филаментом. Связывая Са2+, тропонин  претерпевает конформационные изменения,  в результате чего молекула  тропомиозина смещается и освобождает  дорогу миозиновым поперечным  мостикам для прикрепления к  актиновым центрам.

 Следовательно,  присоединение Са2+ к тропонину  устраняет постоянно существующее  препятствие для взаимодействия  поперечных мостиков с актином.

 Из результатов  экспериментов, сделан вывод,  что ингибирование присоединения  мостиков снимается при концентрации  свободного Са2+ свыше 10-7 М. 

 Сказанное выше  объясняет роль Са2+ в регуляции  актин-миозинового взаимодействия  в скелетных и сердечной мышце  позвоночных животных. В большинстве  других мышц роль кальция иная. Есть еще по крайней мере  два механизма кальцийзависимой  регуляции актин-миозинового взаимодействия. В поперечнополосатых мышцах  большинства беспозвоночных животных кальций инициирует сокращение, присоединяясь к легким полипептидным цепям миозина в головках поперечных мостиков. В гладких мышцах позвоночных животных и в немышечном актомиозине сокращение контролируется кальцийзависимым фосфорилированием миозиновой головки. 

 Инактивация поперечных  мостиков и расслабление мышцы 

 В мышце, находящейся  в состоянии покоя, внутренняя  система ограниченных мембранами  компартментов, называемая саркоплазматическим  ретикулумом, активно поглощает  Са2+. Благодаря этому процессу  уровень свободных ионов кальция  не поднимается выше 10-7 М. При  такой концентрации поперечные  мостики неактивны, потому что  с тропонином связывается лишь  очень небольшое количество кальция.  Таким образом, удаление Са2+ из  саркоплазмы в ретикулуме заставляет  мышцу расслабляться после сокращения. 

 Поскольку АТФ  поставляет энергию для сокращения, напрашивается вывод, что удаление  АТФ тоже вызовет расслабление  мышцы. Но оказалось, что этого  не происходит. 

 Мышца становится  напряженной и не поддается  растяжению при исчерпании всех  ее запасов АТФ и фосфагенов. Это состояние известно как  трупное окоченение, и обусловлено  оно тем, что поперечные мостики  не могут отделиться от актиновых  филаментов. О том, что для расслабления  мышцы нужен

 Мg2+-АТФ, известно  со времени проведения первых  экспериментов с экстрагированными  глицерином препаратами мышц. В  присутствии Са2+ и Мg2+-

 АТФ глицеринизированная  мышца сокращается, а при удалении  Са2+ – расслабляется. Расслабление, как и сокращение, происходит  только в присутствии Мg2+-АТФ.  В нормальных условиях, когда  мышца обеспечена АТФ, мостики  легко отделяются. Затем, если  концентрация свободного саркоплазматического  Са2+ становится ниже уровня, необходимого  для процесса присоединения поперечных  мостиков к актиновым филаментам, мышца расслабляется.