Строение и функции скелетных мышц Тарасова Ольга Сергеевна Кафедра физиологии человека и животных Биологического ф-та МГУ

Гладкие мышцы Скелетные мышцы Сердечная мышца Типы мышечной ткани

Уровни организации скелетной мышцы Н.Б.Гусев Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, 8, с Миофибрилла Волокна (клетки) скелетных мышц очень крупные –диаметр - до 100 мкм, длина – до 10 см и более –многоядерные В процессе развития сливаются несколько миобластов и их ядра сохраняются Нервно-мышечный синапс только один - расположен ближе к центру волокна Поперечные трубочки (T-tubules - от transverse) –Регулярные впячивания сарколеммы вдоль волокна Они проводят ПД внутрь волокна

Саркомер – единица строения и работы миофибриллы Саркомер – единица строения и работы миофибриллы Z-линии разных миофибрилл расположены на одном уровне

Строение саркомера («для взрослых») -актинин Миозин Титин (тайтин) Актин Титин - гигантский белок (3-3,7 МДа), крупнейший из белков организма позвоночных. Содержание титина достигает 10% общего мышечного белка. Титин образует филаменты длиной до 1 мкм, которые занимают половину саркомера: каждый филамент одним концом крепится к Z-линии, а другим – к М-линии. Небулин («линейка» для актинового филамента) Тропомодулин (кепирует конец актинового филамента) Миофибриллы «сшиваются» промежуточными филаментами (состоят из десмина и др. белков)

Глобулярный (G) актин Фибриллярный (F) актин Тропомиозин Тропонин Регуляторный тропонин- тропомиозиновый комплекс Строение тонкого филамента

Молекула миозина Хвост Легкие цепи Актин- связывающий центр Головка АТФ- связывающий центр Строение толстого филамента Сборка молекул миозина в толстый филамент

Актин-связывающий центр Строение головки миозина Головки миозина образуют поперечные мостики между толстыми и тонкими филаментами Н.Б.Гусев Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, 8, с АТФ-связывающий центр Щель (пасть), разделяющая две челюсти актин-связывающего центра

Теория скольжения нитей: во время сокращения мышцы длина толстых и тонких филаментов не изменяется, происходит их скольжение друг относительно друга Теория скольжения нитей была выдвинута на основании двух независимых наблюдений Huxley and Niedergerke (1954), световая микроскопия: во время сокращения происходит сужение I-дисков, тогда как ширина А-дисков не изменяется Huxley and Hanson (1954), электронная микроскопия: во время сокращения длина толстых и тонких филаментов не изменяется

Н.Б.Гусев Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, 8, с Выход АДФ Цикл работы головки миозина Буква А в кружке – аденозин; голубые кружки – фосфатные группы

Цикл работы головки миозина

Сила сокращения скелетной мышцы зависит от длины саркомеров

Октябрь 2007 Низкая концентрация Са 2+ (10 -5 M) Тонкий филамент Толстый филамент Взаимодействие головок миозина с актином возможно лишь при повышении концентрации Са 2 + в цитоплазме

Gordon et al. News Physiol Sci 2001, vol. 6, p Расположение тропомиозина и тропонинового комплекса на актиновом филаменте Связывание Са 2+ с тропонином С ослабляет взаимодействие тропонинового комплекса с актином Толщина линий отражает «силу взаимодействия» Тропонин T (TnT) – крепится к тропомиозину Тропонин I (TnI) – ингибирует взаимодействие актина и миозина Тропонин С (TnC) – связывает Са 2+

1. Потенциал действия 3. Связывание Са 2+ c тропонином 4. Сокращение 2. Повышение внутриклеточной концентрации Ca 2+ Электромеханическое сопряжение в скелетной мышце Сопряжение возбуждения наружной мембране мышечной клетки (электрического процесса) и сокращения мышцы (механического ответа)

Поперечные трубочки и цистерны саркоплазматического ретикулума (СПР) I - диск А - диск Плазма- лемма Миофибриллы СПР Базальная мембрана Т-трубочка Терминальная цистерна Т-трубочка Отверстия Т-трубочек СПР В мышцах позвоночных Т-трубочки расположены на границах A-диска (т.е. на каждый саркомер приходится по две Т-трубочки)

Открывающаяся наружу пора Т-трубочки Мембрана мышечного волокна (сарколемма) Миофибриллы T-трубочки Цистерны СПР Три гипотезы о механизме передачи сигнала от Т-трубочек к СПР: Электрическая; Химическая; Механическая Поперечные трубочки и цистерны СПР

Гипотеза о механическом способе передачи сигнала от наружной мембраны к СПР: Chandler, Rakowski and Schneider (1976)

А – актин; М – миозин; ТТ – Т-трубочка; ТЦ – терминальная цистерна; СН – соединительная ножка Соединительные ножки между мембранами t-трубочки и СПР

«Внешняя» часть ножки – ДИГИДРОПИРИДИНОВЫЙ РЕЦЕПТОР (потенциал- управляемый кальциевый канал L-типа) А.М.Рубцов Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, 9, с Цитоплазматическая петля, формирующая ножку («foot»), которая и является сенсором напряжения, взаимодействующим с рианодиновым рецептором

Ryania speciosa Трехмерная модель рианодинового рецептора, построенная по данным электронной микроскопии Вид сбоку Вид со стороны цитоплаз- мы Вид со стороны мембраны Цитоплазм а-тический домен Гидрофобная часть, погруженная в мембрану СПР Центральный ионопроводящий канал Радиальный ионопроводящий канал Базальная платформа RyR активируется: Са 2+ (в микромилярных концентрациях), АТФ, кофеином, жирными кислотами, рианодином (в низкой концентрации). Инактивируется: Са 2+ (в миллимолярных концентрациях), рианодином (в высокой концентрации). «Внутренняя» часть ножки – РИАНОДИНОВЫЙ РЕЦЕПТОР (кальциевый канал саркоплазматического ретикулума)

2002 Взаимное расположение дигидропиридиновых и рианодиновых рецепторов в скелетной мышце SR – саркоплазматический ретикулум (СПР); DHPR – дигидропиридиновые рецепторы; RyR1 - рианодиновые рецепторы 1 типа; CSQ – кальсеквестрин (Са-связывающий белок СПР); SERCA – Са-насос СПР, Sarco(Endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase В быстрых мышечных волокнах каждый второй RyR связан с тетрадой DHPR, в медленных – каждый из 5 или 8.

А.М.Рубцов Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, 9, с Активация рианодиновых рецепторов Типы рианодиновых рецепторов: cкелетная мышца – RyR1, сердечная мышца – RyR2 Часть рианодиновых рецепторов (RyR) механически связана с тетрадой дигидропиридиновых рецепторов (DPHR). «Несвязанные» RyR активируются ионами Са 2+ в скелетной мышце в сердечной мышце Нет механической связи между RyR и DPHR. Все RyR активируются ионами Са 2+, которые входят с клетку через DHPR («триггерный» Са 2+ )

А.М.Рубцов Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, 9, с Активация рианодиновых рецепторов Типы рианодиновых рецепторов: cкелетная мышца – RyR1, сердечная мышца – RyR2 Часть рианодиновых рецепторов (RyR) механически связана с тетрадой дигидропиридиновых рецепторов (DPHR). «Несвязанные» RyR активируются ионами Са 2+ в скелетной мышце в сердечной мышце Нет механической связи между RyR и DPHR. Все RyR активируются ионами Са 2+, которые входят с клетку через DHPR («триггерный» Са 2+ )

Динамика одиночного сокращения различается для разных мышц

Типы мышечных волокон Сокращению всегда предшествует ПД Моносинаптическая иннервация Сокращается все волокно в целом («все или ничего») Изоформы тяжелых цепей различаются по АТФ-азной активности (количеству молекул АТФ, расщепляемых в единицу времени), т.е. по «длительности цикла срабатывания головки миозина» Чем выше АТФ-азная активность миозина, тем быстрее сокращается мышечное волокно Не генерируют ПД Имеют полисинаптическую иннервация Отвечают на нервное воздействие градуальным сокращением

СвойстваМедленные (тип I)Быстрые окислительные (тип IIA) Быстрые гликолитические (тип IIB) Соотношение рианодиновых (RyR) и дигидропиридиновых (DHPR) рецепторов Доля RyR, связанных с DHPR, меньше (выброс Са 2+ из СПР происходит медленнее) Каждый второй RyR связан с тетрадой DHPR (быстрый выброс Са 2+ из СПР) АТФ-азная активность миозина НизкаяВысокая Скорость укороченияНизкаяВысокая Сила сокращенияНебольшаяСредняяБольшая Способ синтеза АТФ Окислительное фосфорилирование Окислительное фосфорилировани е + гликолиз Гликолиз Окраска«Красная» «Белая» Содержание миоглобинаВысокое Низкое МитохондрийМного Мало Плотность капилляровВысокая Низкая Устойчивость к утомлениюВысокая Низкая Свойства различных типов фазических мышечных волокон

ПД, приходящие по аксону мотонейрона вызывают только сокращение мышцы ( а не торможение сокращения) Нервно-мышечный синапс обладает высокой надежностью, поскольку амплитуда постсинаптического потенциала выше порога возбуждения мышечного волокна Одиночный ПД в мотонейроне вызывает возбуждение и сокращение мышечного волокна (т.е. происходит передача возбуждения 1:1) Мышечные волокна млекопитающих имеют моносинаптическую иннервацию: нервно-мышечный синапс только один, он располагается ближе к центру волокна Во всех синапсах, образуемых мотонейронами на мышечных волокнах, медиатором является ацетилхолин. Иннервация скелетных мышц

Двигательные (моторные) единицы ЦНС Двигательная единица = мотонейрон + группа иннервируемых им мышечных волокон Все мышечные волокна ДЕ принадлежат к одному типу (быстрому или медленному) Мотонейронный пул мышцы: группа мотонейронов, иннервирующих данную мышцу Каждая ДЕ занимает обширную территорию в толще мышцы, поскольку ее волокна «перемешаны» с волокнами других ДЕ Распределение волокон одной ДЕ в мышце голени крысы (в результате стимуляции мотонейрона в волокнах этой ДЕ нет гликогена, поэтому они не окрашены)

Размер и количество ДЕ в мышцах человека Наружная прямая мышца глаза Икроножная

Два способа увеличения силы сокращения мышцы: Активация большего числа мотонейронов (рекрутирование ДЕ) Увеличение частоты разрядов мотонейронов: суммация одиночных сокращений (тетанус) Регуляция силы мышечного сокращения Длительность сокращения намного больше длительности ПД В отличие от ПД сократительные ответы могут суммироваться Амплитуда суммарного сокращения больше, чем одиночного (поскольку выше концентрация Са 2+ в цитоплазме мышечного волокна) Чем дольше одиночное сокращение, тем при более низкой частоте разрядов мотонейрона образуется тетанус (т.е. в медленных волокнах частота образования тетануса ниже, чем в быстрых) При утомлении мышцы длительность ее сокращения увеличивается – тетанус образуется при более низкой частоте возбуждения

Метаболический тип мышечного волокна определяется его иннервацией (характером разрядной активности мотонейрона) Изменение свойств мышц при перекрестной реиннервации Низкочастотная электростимуляция двигательных волокон быстрой мышцы превращает ее в медленную Частота разрядов мотонейронов медленных ДЕ ниже, чем быстрых Все волокна ДЕ принадлежат к одному метаболическому типу

Изменения строения мышечной системы при естественной активности мотонейронов Тренировка силы (тяжелая атлетика) Тренировка выносливости (марафон)

Источники энергии в скелетной мышце человека