Мышечные рецепторы

Скорость сокращения гиперболически снижается с увеличением нагрузки (соотношение сила/скорость по Хиллу) и достигает примерно 1/5 максимально возможной (наблюдаемой без нагрузки), когда нагрузка равна половине максимальной силы, развиваемой в изометрических условиях. Если нагрузка совпадает с этой силой, мышца вообще не укорачивается, а при еще большей нагрузке растягивается (на этом основано тормозящее действие мышц при ходьбе под гору).

Поскольку сила, которую  должна развивать мышца при укорочении, равна нагрузке, соотношение, описанное Хиллом предполагает соответствующее соотношение между этой силой и скоростью укорочения. Быстро укорачиваясь, мышца развивает меньшую силу, чем при медленном укорочении или после предварительного растяжения. Этим объясняется тот общеизвестный факт, что быстрые «легкие» движения возможны, только если не требуется большая их сила, т.е. когда мышцы не нагружены (свободно двигаются), и, наоборот, максимальная мышечная сила требует медленных движений, например при передвиганий крупных предметов. Большой вес можно поднять или столкнуть с места (если это вообще осуществимо) только очень медленно. Это вполне совместимо со способностью человека произвольно менять скорость мышечного сокращения. Например, когда все волокна мышцы участвуют в поднимании груза, относительная нагрузка на каждое активное волокно меньше и, следовательно, скорость их сокращения больше, чем в том случае, когда активна лишь часть волокон. Таким образом, можно увеличить скорость укорочения мышцы при одной и той же нагрузке за счет вовлечения дополнительных двигательных единиц.

Мощность мышцы  равна произведению развиваемой  ею силы на скорость укорочения. Например, максимальная мощность (200 Вт) мышцы  нашей руки будет достигнута при  скорости со¬кращения 2,5 м/с. Мощность выше при умеренных нагрузках и скоростях сокращения, чем в экстремальных условиях. Этот принцип мы применяем на практике, подбирая при езде на велосипеде подходящую передачу или двигаясь зигзагами при подъеме в гору.

7. Регуляция мышечного сокращения

Обычно мышца возбуждается при поступлении потенциалов  действия от иннервирующих мотонейронов; в результате передачи возбуждения через нервно-мышечные синапсы генерируются мышечные потенциалы действия (непрямая стимуляция). Возможна и прямая стимуляция мышечных волокон, но только в экспериментальных условиях. Например, при раздражении изолированной мышцы лягушки одиночным электрическим импульсом длительностью около 1 мс по мышечному волокну от места раздражения примерно через 1-2 мс со скоростью примерно 2 м/с будет распространяться потенциал действия, а еще через несколько миллисекунд оно сократится. Таким образом, сокращение вызывается потенциалом действия, т. е. возбуждением мембраны волокна. 

1. Электромеханическое сопряжение

Передача команды  к сокращению от возбужденной клеточной  мембраны к миофибриллам в глубине  клетки (электромеханическое сопряжение) включает в себя несколько последовательных процессов, ключевую роль в которых  играют ионы Са2+ .

Локализация и механизм действия Са2+

 Инъекция Са2+ в мышечные волокна вызывает их сокращение. Интактные живые волокна гораздо меньше подходят для демонстрации прямого воздействия Са2+ на миофибриллы, чем те же волокна после удаления или разрушения поверхностной клеточной мембраны. Для этого их либо «обдирают» («скинируют») механически, либо обрабатывают детергентами, либо используют экстрагирование глицеролом. Такие лишенные сарколеммы («скинированные») мышечные волокна сокращаются только при погружении в раствор, содержащий АТФ и по крайней мере 10_6 М ионизированного кальция для активации АТФазы. В этих условиях поперечные мостики миозиновых нитей могут за счет постоянного расщепления АТФ циклически взаимодействовать с актиновыми нитями. Если активирующий фактор Са2+ удалить из среды (например, добавив связывающие его вещества), миофибриллы расслабляются, поскольку взаимодействие между поперечными мостиками и актином предотвращается, а значит, подавляется активность АТФазы. Такой эффект полностью обратим и в опытах с лишенными сарколеммы волокнами. На ступенчатое повышение концентрации Са2+ от 10-7 до 10s M они реагируют постепенным увеличением силы сокращения и активности АТФазы, причем оба этих параметра достигают максимума при концентрации Са2+ 10~6-10-s M.

Механизм активации ионами кальция мышечного волокна легче понять, рассмотрев структуру актиновых нитей. Каждый такой филамент длиной около 1 мкм и толщиной 5-7 нм состоит из двух закрученных одна вокруг другой цепочек моно¬меров актина толщиной 5 нм. Похожая структура получится, если взять две нити бус и скрутить их в виде спирали по 14 бусин в каждом витке. Через регулярные промежутки примерно по 40 нм актиновые цепочки несут сферические молекулы тропонина, а в желобках между двумя цепочками лежат нити тропомиозина. Исследования с помощью рентгеноструктурного анализа (малоугловое рентгеновское рассеяние)  показали, что в отсутствие Са2 + , т.е. при расслабленном состоянии миофибрилл, длинные молекулы тропомиозина располагаются так, что блокируют прикрепление поперечных миозиновых мостиков к актиновым нитям. И напротив, под влиянием Са2 + молекулы тропомиозина глубже опускаются в желобки между цепочками мономеров актина,, открывая участки прикрепления для поперечных мостиков. В результате те прикрепляются к актиновым нитям, расщепляется АТФ и развивается мышечная сила.

Такой механизм активации  обусловлен действием Са2+ на тропонин, который работает как «кальциевый переключатель»: при связывании с Са2+ его молекула деформируется таким образом, что как бы заталкивает тропомиозин в желобок между двумя цепочками актиновых мономеров, т. е. в «активированное положение». 

Хранение и высвобождение ионов кальция

Расслабленная мышца  содержит более 1 мкмоль Са2 + на 1г сырой массы. Если бы соли кальция не были изолированы в особых внутриклеточных хранилищах, обогащенные его ионами мышечные волокна находились бы в состоянии непрерывного сокращения.

Структура внутриклеточных  систем хранения кальция в разных мышцах не вполне одинакова. Во многих участках поверхностная мембрана мышечной клетки образует углубления в виде трубочек (диаметром 50 нм), перпендикулярных продольной оси волокна; эта система попереч¬ных трубочек соединяется с внеклеточной средой и обычно окружае каждую миофибриллу на уровне Z-пластинок (у лягушки) или в области I-дисков (у высших позвоночных).

Перпендикулярно поперечным трубочкам, т.е. параллельно миофибриллам, расположена система продольных трубочек (истинный саркоплазматиче-ский ретикулум). Пузырьки на их концах (терми¬нальные цистерны) прилегают к мембранам системы поперечных трубочек, образуя так называемые триады. В этих пузырьках и хранится внутриклеточный кальций. В отличие от поперечной системы продольная не сообщается с внеклеточной средой. 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 Ю-7 М миоплазматическую концентрацию этих ионов в покоящейся (расслабленной) мышце.

Электромеханическое сопряжение происходит посредством  распространения потенциала действия по мембранам поперечной системы  внутрь клетки. При этом возбуждение  быстро проникает в глубь волокна, переходит на продольную систему  и в конечном счете вызывает высвобождение  Са2+ из терминальных цистерн во внутриклеточную жидкость, окружающую миофибриллы, что и ведет к сокращению.

При одиночном импульсе сокращение кратковременно; расслабление мышцы вызывается обратным переносом  активирующих ионов Са2 + посредством кальциевого насоса в каналы саркоплазматического ретикулума. Удаление ионов Са2+ из миоплазмы идет до тех пор, пока их концентрация в ней не упадет до примерно Ю-7 М. При этом подавляются активность АТФазы миозина и взаимодействие между актином и поперечными мостиками, которые отделяются от актиновых нитей.

Распространение   возбуждения   вглубь   волокна

Этот процесс, как  показали Хаксли и Тейлор, составляет первый этап электромеханического сопряжения. Воздействуя через микроэлектрод слабыми импульсами тока на мышечное волокно лягушки, эти авторы вызывали локальную деполяризацию такого маленького участка плазматической мембраны, что стимулировалась только одна поперечная трубочка (на уровне Z-пластинки). Возникающее в результате местное сокращение (контрактура) ограничивалось саркомерами поверхностных миофибрилл, непосредственно прилегающих к этой трубочке. По мере усиления стимула активировались все глубже расположенные миофибриллы. Очевидно, мембраны поперечных трубочек легко возбуждаются электрическим током, способны проводить возбуждение и составляют важное звено в процессе передачи сигнала от клеточной мембраны к хранилищам кальция.

Только за счет такой  электрической передачи по поперечной системе возможна быстрая мобилизация  запасов кальция в глубине  волокна, и только этим можно объяснить  очень короткий латентный период между стимулом и сокращением. Диффузия Са2 + от поверхностной мембраны к  миофибриллам. находящимся в центре мышечного волокна толщиной 100 мкм, продолжалась бы гораздо дольше, так что для волокон скелетных мышц подобный механизм можно исключить уже по временным соображениям.

Высвобождение кальция при одиночном сокращении

Каковы данные в  пользу описанного высвобождения Са2+? Блинке с коллегами выделили из светящихся медуз белок экворин, который при взаимодействии с Са2+ излучает свет. После инъекции этого белка изолированное мышечное волокно закрепляли изометрически и раздражали электрическим током с интервалами 100 или 200 мс. С помощью высокочувствительного фотометра (фотоумножителя) регистрировалась люминесценция (излучение света) экворина, сопровождавшая внутриклеточное высвобождение Са2+. При стимуляции с частотой 5 Гц она была кратковременной, поскольку ионный насос вскоре перекачивал высвобожденный в миоплазму Са2+ обратно в сар-коплазматический ретикулум; при таком режиме мышца совершает одиночные сокращения. Однако при ритмичном раздражении с частотой 10 Гц (второй стимул поступает уже через 100 мс после первого) волокно расслабляется не полностью. Второе сокращение накладывается на остаточное сокращение после первого стимула, третье - на предыдущие и т.д. Суммация одиночных сокращений ведет к росту как максимального напряжения в сократительном цикле, так и остаточной величины одиночных сокращений, хотя внутриклеточный уровень Са2 + после каждого из них (судя по люминесценции) почти возвращается  к уровню  покоя.   При этом опыт показывает, что увеличение общего напряжения при стимуляции с интервалами по 100 мс нельзя объяснить повышением уровня внутриклеточного Са2 + .

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.

Закон «все или ничего»

 Этому закону  подчиняются быстрые волокна  скелетных мышц. Подпороговые стимулы  не вызывают потенциалов действия  и высвобождения Са2 + . Как только  интенсивность стимула превысит  определенный пороговый уровень,  генерируется распространяющийся  потенциал действия и происходит  максимальное высвобождение Са2 + ; это обеспечивает максимальную силу сокращения, уже не возрастающую при повышении интенсивности стимула.

Вместе с тем  при электрическом раздражении  целой мышцы сила ее сокращения зависит  от интенсивности стимула. Например, если он едва превышает пороговый  уровень, ответ по типу «все или ничего»  наблюдается только в волокнах, находящихся  вблизи от электрода, где плотность  тока максимальна; для возбуждения  всех волокон требуется гораздо  более сильный (максимальный) стимул.  Таким  образом, только сверхмаксимальное раздражение может равномерно и достаточно надежно активировать изолированную целую мышцу.

Закон «все или ничего»  не означает, что ответ раздражаемого  мышечного волокна будет всегда одинаков по величине. Например, если мышца  только что расслабилась после тетануса, одиночный стимул часто вызывает гораздо более сильное одиночное  сокращение, чем до такого «кондиционирования». Причины этой посттетанической потенциации известны так же мало, как и механизм мышечного утомления - снижения силы сокращения при ритмической стимуляции. В обоих случаях у потенциалов действия нормальная амплитуда. При кислородной недостаточности и в еще большей степени при нарушении метаболизма иодацетатом ритмическая стимуляция сопровождается не только снижением силы сокращения, но и замедлением расслабления; в конечном итоге, когда запас АТФ истощается, такая «отравленная» мышца вообще утрачивает способность к расслаблению -становится ригидной. Состояние необратимой ригидности и тетанус следует отличать от различных видов длительного напряжения, обсуждаемых ниже.