Mehanizam kontrakcije prugastih mišićnih vlakana. Mehanizam i vrste mišićnih kontrakcija

pirinač. 2.4. Električna stimulacija i odgovor mišića. Električni impulsi su prikazani iznad, odgovor mišića je ispod.

Ako se stimulira kratkim električnim impulsom, nakon kratkog latentnog perioda nastaje. Ova kontrakcija se naziva "kontrakcija jednog mišića". Jedna mišićna kontrakcija traje oko 10-50 ms, a maksimalnu snagu postiže nakon 5-30 ms.

Svako pojedinačno mišićno vlakno poštuje zakon „sve ili ništa“, tj. kada je sila stimulacije iznad graničnog nivoa, dolazi do potpune kontrakcije sa maksimalnom silom za dato vlakno i postepenog povećanja sile kontrakcije kako povećanje snage stimulacije je nemoguće. Budući da se mješoviti mišić sastoji od mnogo vlakana s različitim nivoima osjetljivosti na ekscitaciju, kontrakcija cijelog mišića može biti postupno ovisno o jačini iritacije, pri čemu jake iritacije aktiviraju dublja mišićna vlakna.

Superpozicija i tetanus

Jedna električna stimulacija (slika 2.4, gore) dovodi do jedne mišićne kontrakcije (slika 2.4, dole). Dva blisko slijedeća stimulansa se nadograđuju jedan na drugi (to se naziva "superpozicija", ili zbir kontrakcija), što dovodi do jačeg odgovora mišića, blizu maksimuma. Serija često ponovljenih električnih stimulacija uzrokuje mišićne kontrakcije sve veće snage, što dovodi do toga da se mišić ne opušta pravilno. Ako je frekvencija električnih impulsa viša od frekvencije fuzije, tada se pojedinačne iritacije spajaju u jednu i uzrokuju tetanus mišića (tetansku kontrakciju) - stabilnu, prilično dugotrajnu napetost kontraktiranog mišića.

Oblici skraćenica

Rice. 2.5. Oblici mišićnih kontrakcija. Na lijevoj strani je shematski prikaz skraćivanja sarkomera, u sredini - promjene snage i dužine, desno - primjer kontrakcija

Postoje različiti funkcionalni oblici mišićnih kontrakcija (slika 2.5).

At izotonična kontrakcija mišić se skraćuje, ali njegova unutrašnja napetost (ton!) ostaje nepromijenjena u svim fazama radnog ciklusa. Tipičan primjer izotonične kontrakcije mišića je dinamičko djelovanje mišića fleksora i ekstenzora bez značajnih promjena u intramuskularnoj napetosti, kao što je povlačenje.

At izometrijska kontrakcija dužina mišića se ne mijenja, a snaga mišića se očituje povećanjem njegove napetosti. Tipičan primjer izometrijske kontrakcije je statična mišićna aktivnost prilikom dizanja utega (držanje utege).

Najčešće se primjećuju kombinirane varijante mišićne kontrakcije. Na primjer, kombinovana kontrakcija u kojoj se mišići prvo skupljaju izometrijski, a zatim izotonično, kao kada se diže uteg, naziva se zadržavanje kontrakcije.

Instalacija (proizvodnja) naziva se kontrakcija u kojoj, naprotiv, nakon početne izotonične kontrakcije slijedi izometrijska kontrakcija. Primjer je rotacijski pokret poluge - zatezanje zavrtnja ključem ili odvijačem.

Izolovani su različiti oblici mišićnih kontrakcija radi njihovog opisa i sistematizacije. Zapravo, u većini dinamičnih sportskih pokreta dolazi do skraćivanja mišića i povećanja mišićne napetosti (tonusa) - auksotonične kontrakcije.

Termini koji se ovdje koriste nisu tipični za rusku literaturu o mišićnoj aktivnosti. U domaćoj literaturi uobičajeno je razlikovati sljedeće vrste skraćenica.

Koncentrična kontrakcija- izaziva skraćivanje mišića i pomeranje njegovog pričvršćivanja za kost, dok je kretanje ekstremiteta obezbeđeno kontrakcijom ovog mišića usmereno protiv otpora koji se savladava, na primer, gravitacije.
Ekscentrična kontrakcija- nastaje kada se mišić produži pri podešavanju brzine kretanja uzrokovane drugom silom, ili u situaciji kada maksimalni napor mišića nije dovoljan da se savlada suprotna sila. Kao rezultat toga, kretanje se događa u smjeru vanjske sile.
Izometrijska kontrakcija- napor koji se suprotstavlja vanjskoj sili, pri čemu se dužina mišića ne mijenja i ne dolazi do pokreta u zglobu.
Izokinetička kontrakcija- kontrakcija mišića istom brzinom.
Balistički pokret- brzo kretanje, uključujući: a) koncentrično kretanje mišića agonista na početku pokreta; b) inercijalno kretanje tokom minimalne aktivnosti; c) ekscentrična kontrakcija za usporavanje pokreta.

Filamentni klizni mehanizam

pirinač. 2.6 Shema formiranja poprečne veze - molekularna osnova kontrakcije sarkomera

Skraćivanje mišića nastaje zbog skraćivanja sarkomera koji ga formiraju, a koji se, pak, skraćuju zbog klizanja aktinskih i miozinskih filamenata jedan u odnosu na druge (a ne skraćivanja samih proteina). Teoriju klizanja filamenta predložili su naučnici Huxley i Hanson (Huxley, 1974; sl. 2.6). (1954. godine dvije grupe istraživača - H. Huxley sa J. Hansonom i A. Huxley sa R. Niedergerkeom - formulisale su teoriju koja objašnjava kontrakciju mišića klizanjem niti. Nezavisno jedan od drugog, otkrili su da je dužina A. disk je ostao konstantan u opuštenom i skraćenom sarkomeru.To sugerira da postoje dva niza filamenata - aktin i miozin, i jedan se uklapa u prostore između drugih, a kada se promijeni dužina sarkomera, ti filamenti nekako klize jedan preko drugog. Ovu hipotezu sada prihvataju skoro svi.)

Aktin i miozin su dva kontraktilna proteina koja su u stanju da uđu u hemijsku interakciju, što dovodi do promene njihovog relativnog položaja u mišićnoj ćeliji. U ovom slučaju, lanac miozina je vezan za aktinski filament pomoću niza posebnih "glava", od kojih svaka sjedi na dugom opružnom "vratu". Kada dođe do spajanja između miozinske glave i aktinskog filamenta, konformacija kompleksa ova dva proteina se mijenja, miozinski lanci se kreću između aktinskih filamenata, a mišić se u cjelini skraćuje (kontrahira). Međutim, da bi se stvorila hemijska veza između miozinske glave i aktivnog filamenta, potrebno je pripremiti ovaj proces, jer u mirnom (opuštenom) stanju mišića aktivne zone proteina aktina zauzimaju druge protein - tropohmiozin, koji ne dozvoljava aktinu da stupi u interakciju sa miozinom. Da bi se uklonio tropomiozinski “poklopac” sa aktinskog filamenta, potrebno je brzo izlivanje kalcijevih jona iz cisterni sarkoplazmatskog retikuluma, što nastaje kao rezultat prolaska akcionog potencijala kroz membranu mišićne ćelije. Kalcij mijenja konformaciju molekule tropomiozina, zbog čega se otvaraju aktivne zone molekule aktina za pričvršćivanje glava miozina. Sama ova veza se odvija uz pomoć takozvanih vodoničnih mostova, koji vrlo čvrsto vezuju dva proteinska molekula - aktin i miozin - i mogu ostati u tom vezanom obliku jako dugo.

Da bi se glava miozina odvojila od aktina, potrebno je potrošiti energiju adenozin trifosfata (ATP), dok miozin djeluje kao ATPaza (enzim koji razgrađuje ATP). Razlaganje ATP-a na adenozin difosfat (ADP) i neorganski fosfat (P) oslobađa energiju, prekida vezu između aktina i miozina i vraća glavu miozina u prvobitni položaj. Nakon toga, poprečne veze se mogu ponovo formirati između aktina i miozina.

U nedostatku ATP-a, veze aktin-miozin nisu uništene. To je uzrok ukočenosti nakon smrti, jer se proizvodnja ATP-a u tijelu zaustavlja – ATP sprječava ukočenost mišića.

Čak i tokom mišićnih kontrakcija bez vidljivog skraćivanja (izometrijske kontrakcije, vidi gore), ciklus umrežavanja se aktivira, mišić troši ATP i proizvodi toplotu. Glava miozina je više puta pričvršćena za isto mjesto vezivanja aktina, a cijeli sistem miofilamenta ostaje nepomičan.

Pažnja: Kontraktilni mišićni elementi aktin i miozin sami po sebi nisu sposobni za skraćivanje. Skraćivanje mišića je posljedica međusobnog klizanja miofilamenata jedan u odnosu na drugi (mehanizam klizanja filamenta).

Kako se formiranje poprečnih veza (vodikovih mostova) pretvara u kretanje? Jedan sarkomer skraćuje se za otprilike 5-10 nm po ciklusu, tj. otprilike 1% njegove ukupne dužine. Brzim ponavljanjem ciklusa umrežavanja moguće je skraćivanje od 0,4 µm, odnosno 20% njegove dužine. Budući da se svaka miofibrila sastoji od mnogo sarkomera i da se u svima istovremeno (ali ne sinhrono) formiraju poprečne veze, njihov ukupni rad dovodi do vidljivog skraćivanja cijelog mišića. Prijenos sile ovog skraćivanja odvija se preko Z-linija miofibrila, kao i krajeva tetiva pričvršćenih za kosti, što rezultira kretanjem u zglobovima kroz koje se mišići kreću u prostornim dijelovima tijela ili napreduju u celo telo.

Odnos između dužine sarkomera i snage mišićnih kontrakcija

Rice. 2.7. Zavisnost sile kontrakcije o dužini sarkomera

Mišićna vlakna razvijaju najveću snagu kontrakcije na dužini od 2-2,2 mikrona. S jakim istezanjem ili skraćivanjem sarkomera, sila kontrakcije se smanjuje (slika 2.7). Ova zavisnost se može objasniti mehanizmom klizanja filamenta: pri datoj dužini sarkomera, preklapanje miozinskih i aktinskih vlakana je optimalno; kod većeg skraćivanja miofilamenti se previše preklapaju, a kod istezanja preklapanje miofilamenata nije dovoljno da se razvije dovoljna kontraktilna sila.

pirinač. 2.9 Utjecaj prethodnog istezanja na snagu mišićne kontrakcije. Prethodno istezanje povećava napetost mišića. Dobivena kriva koja opisuje odnos između dužine mišića i snage kontrakcije pod aktivnim i pasivnim istezanjem pokazuje veću izometrijsku napetost nego u mirovanju.

Važan faktor koji utječe na snagu kontrakcija je količina istezanja mišića. Povlačenje kraja mišića i povlačenje mišićnih vlakana naziva se pasivno istezanje. Mišić ima elastična svojstva, međutim, za razliku od čelične opruge, ovisnost napetosti o istezanju nije linearna, već formira lučnu krivulju. Kako rastezanje raste, tako se povećava i napetost mišića, ali do određenog maksimuma. Kriva koja opisuje ovaj odnos naziva se krivulja istezanja u mirovanju.

Ovaj fiziološki mehanizam objašnjava se elastičnim elementima mišića - elastičnošću sarkoleme i vezivnog tkiva, koji se nalaze paralelno sa kontraktilnim mišićnim vlaknima.

Također, tokom istezanja mijenja se preklapanje miofilamenata jedan na drugi, ali to ne utječe na krivulju istezanja, jer se u mirovanju ne stvaraju poprečne veze između aktina i miozina. Prethodno istezanje (pasivno istezanje) dodaje se sili izometrijskih kontrakcija (aktivna sila kontrakcije).

Želudac i crijeva, promjene u tonusu krvnih žila, održavanje tonusa mjehura - uzrokovani su kontrakcijom glatkih mišića. Rad srca se osigurava kontrakcijom srčanih mišića.

Enciklopedijski YouTube

1 / 3

Tropomiozin i troponin i njihova uloga u kontroli kontrakcije mišića

Kontrakcija mišića (aktinski i miozinski filamenti)

Struktura mišićne ćelije

Titlovi

U prošloj lekciji naučili smo kako miozin - ili bolje rečeno miozin II, koji ima dvije glave na dva lanca isprepletena jedna s drugom - kako miozin II stupa u interakciju s ATP-om i zatim nekako gura ili klizi duž aktinskih filamenata. Na početku se vezuje miozin. ATP se zatim vezuje za miozinsku glavu. Miozin se odvaja od aktina. ATP se hidrolizira u ADP i fosfate. Ovo oslobađa energiju. Dovodi miozin u stanje visoke energije. Zahvaljujući ovoj energiji, miozin se vezuje za sledeći deo aktinskog filamenta; fosfatna grupa se tada oslobađa, uzrokujući da protein promijeni oblik. U tom slučaju, energija akumulirana miozinom usmjerava se da djeluje na aktinska vlakna. Miozin se pomera ulevo ili aktin udesno, u zavisnosti od ugla gledanja. U narednim lekcijama ćemo govoriti o tome za šta su vezani aktin i miozin. Vjerovatno imate nekoliko pitanja. Glava miozina je potrošila toliko energije da potisne aktinsko vlakno. A u isto vrijeme vjerovatno je bila izložena otporu ili drugim silama. Šta se dešava kada se prekine? U sljedećoj fazi ciklusa, kada se ATP ponovo veže za njega, hoće li se aktinski filament vratiti u prvobitni položaj? Posebno pod uticajem napetosti. Morate shvatiti da na aktin ne utiče samo ova glava miozina. Ima mnogo drugih. Nalaze se duž cijelog aktinskog lanca. I tu i tamo. I svi rade u svom ritmu. A kada su neki od njih odvojeni, drugi su u fazi „pokretanja snage“, a treći su pričvršćeni. Ne radi se o tome da se jedna glava miozina odvoji - i aktinski filament se vraća u prvobitni položaj. Drugo pitanje: šta pokreće i zaustavlja ovaj proces? Na kraju krajeva, mi kontrolišemo svoje mišiće. Dakle, šta pokreće proces klizanja miozina duž aktinskih vlakana? Dva druga proteina obavljaju ovu ulogu. Tropomiozin i troponin. Zapisaću to. Tropomyosin. I to u drugoj boji - troponin. Sada ću shematski prikazati aktinski filament. Evo ga. Ovo je moj aktinski filament. To je zapravo spiralna struktura. Dodaću drugi red. To je poput udubljenja spirale; tačnost slike nam sada nije važna. U prošloj lekciji pogledali smo djelovanje miozinskih glava. Oni prolaze kroz određeni ciklus, u različitim fazama kojih primaju i odaju energiju, mijenjaju oblik i vraćaju se u prvobitno stanje. Ali postoji i protein povezan s aktinom - tropomiozin. Čini se da je omotan oko aktina. Ja ću crtati. Ovo je aktin. Ovo je jedna od glava miozina II. Myosin. A evo i tropomiozina. Umotana je oko aktina. Šematski ću prikazati - ovako je namotan - isprekidanom linijom označit ću nevidljivi dio lanca tropomiozina. Puna linija - vidljiva i tako dalje. Tropomiozin se obavija oko aktinskog lanca. Tropomiozin je vezan za aktin pomoću drugog proteina koji se zove troponin. Recimo da se prilaže ovdje - ovo je, naravno, shematski dijagram - ovdje i ovdje ... uz pomoć troponina. Zapisaću to. Tropomiozin je označen svijetlozelenom bojom. A troponin je poput noktiju koji pričvršćuje tropomiozin za aktin. Kada se mišić ne kontrahira, tropomiozin ne proizvodi miozin... Zapravo, proces još nije u potpunosti shvaćen. Istraživanja se nastavljaju. Ali izgleda da tropomiozin sprečava da se miozinska glava veže za aktinski lanac i klizi duž njega; a kada je glava već pričvršćena za aktinski lanac, tropomiozin sprečava njeno odvajanje i time eliminiše mogućnost takvog klizanja. Dakle, tropomiozin blokira miozinsku glavu, blokira miozinsku glavu - ovdje imamo miozinsku glavu - i sprečava je da klizi duž aktinskih vlakana... ne dozvoljava joj da klizi duž aktinskih vlakana... Ili fizički blokira mjesto za vezivanje, ili - glava je već pričvršćena - eliminiše mogućnost njenog odvajanja. U oba slučaja, interakcija sa aktinom je nemoguća; Da bi deblokirali glavu, troponini moraju promijeniti oblik. A mogu promijeniti oblik samo uz visoku koncentraciju kalcija. Ako imamo dovoljan broj iona kalcija visoke koncentracije, neki od ovih jona će se pridružiti troponinu; zbog toga će se promijeniti konformacija, odnosno oblik troponina. To će zauzvrat promijeniti oblik tropomiozina. Zapisaću to. Tropomyosin ima funkciju blokiranja; ali pri visokoj koncentraciji jona kalcija, takvi se ioni vezuju za troponin, što mijenja konformaciju troponina i "isključuje" blokirajuću funkciju tropomiozina. ... "isključuje" blokirajuću funkciju tropomiozina... Dakle, visoka koncentracija jona kalcijuma, vezujući se za troponin, "isključuje" tropomiozin... I sada su nastali uslovi sa kojima smo započeli prošlu lekciju: miozin i aktin mogu uticati jedni na druge - guranje, klizanje... mogu se nazvati drugačije. A ako se koncentracija kalcija smanji - niska koncentracija kalcijevih jona - takve ione oslobađa troponin. Ako ioni kalcija postanu oskudni, ioni koje drži troponin se oslobađaju. Kao rezultat, troponin se vraća u svoju prvobitnu konformaciju. ...troponin se vraća... I tropomiozin ponovo počinje da blokira miozin. ...dopušta tropomiozinu da ponovo blokira miozin... Naravno, ovaj mehanizam se ne može nazvati jednostavnim. Otkriven je nedavno - prije 50-60 godina. Zamislite koliko je eksperimenata već provedeno i još će biti potrebno... Ali sama shema nije komplikovana. Kada postoji nedostatak kalcijuma, tropomiozin blokira sposobnost miozina da se veže za aktinski lanac i stupi u interakciju s njim. Pri dovoljno visokoj koncentraciji kalcija, njegovi ioni se vezuju za troponin, koji usidri tropomiozin za aktinski lanac, ioni kalcija mijenjaju konformaciju troponina, tropomiozin se odvaja - i miozin može obaviti svoj posao. Možete shematski zamisliti mehanizam kontrakcije mišića i kontrolu takve kontrakcije. Ako je u ćeliji visoka koncentracija kalcija, mišić će se kontrahirati. Ako je koncentracija kalcija niska, troponin će osloboditi ione, miozin će biti blokiran, a mišić će se opustiti. Titlovi Amara.org zajednice

Uvod

Osnova svih vrsta mišićne kontrakcije je interakcija aktina i miozina. U skeletnim mišićima, miofibrili (oko dvije trećine suhe težine mišića) su odgovorni za kontrakciju. Miofibrile su strukture debljine 1 - 2 mikrona, koje se sastoje od sarkomera - strukture duge oko 2,5 mikrona, koje se sastoje od aktinskih i miozinskih (tankih i debelih) filamenata i Z-diskova povezanih sa aktinskim filamentima. Do kontrakcije dolazi povećanjem koncentracije Ca 2+ jona u citoplazmi kao rezultat klizanja miozinskih filamenata u odnosu na aktinske filamente. Izvor energije kontrakcije je ATP. Efikasnost mišićne ćelije je oko 50%, mišić u cjelini ne više od 20%. Maksimalna mišićna snaga se ne postiže u stvarnim uslovima; Ne koriste se sve mišićne ćelije u isto vrijeme i kontrahiraju se maksimalnom snagom, u suprotnom, kada se mnogi skeletni mišići stežu, tetive ili kosti će biti oštećene (što se ponekad opaža kod jakih grčeva). Efikasnost mišića zavisi i od spoljašnjih uslova; na primjer, na hladnoći se značajno smanjuje, jer je tijelu važnije održavati tjelesnu temperaturu.

Klizanje miozina u odnosu na aktin

Glave miozina razgrađuju ATP i zbog oslobođene energije mijenjaju konformaciju, klizeći duž aktinskih filamenata. Ciklus se može podijeliti u 4 faze:

Slobodna glava miozina se veže za ATP i hidrolizira ga u ADP i fosfat i ostaje povezana s njima. (Reverzibilni proces - energija oslobođena kao rezultat hidrolize pohranjuje se u promijenjenoj konformaciji miozina).
Glave se slabo vežu za sljedeću aktinsku podjedinicu, fosfat se oslobađa, a to dovodi do snažnog vezivanja miozinske glave za aktinski filament. Ova reakcija je već nepovratna.
Glava prolazi kroz konformacijsku promjenu koja povlači debelu nit prema Z-disku (ili, ekvivalentno, slobodne krajeve tankih filamenata jedan prema drugom).
ADP se oslobađa, zbog čega se glava odvaja od aktinskog filamenta. Spoji se novi ATP molekul.

Ciklus se zatim ponavlja sve dok se koncentracija Ca 2+ jona ne smanji ili se zalihe ATP-a ne iscrpe (kao rezultat ćelijske smrti). Brzina klizanja miozina duž aktina je ≈15 μm/sec. U filamentu miozina ima mnogo (oko 500) molekula miozina i, stoga, tokom kontrakcije, ciklus se ponavlja stotinama glava odjednom, što dovodi do brze i snažne kontrakcije. Treba napomenuti da se miozin ponaša kao enzim - aktin zavisna ATPaza. Pošto je svako ponavljanje ciklusa povezano sa hidrolizom ATP-a, a samim tim i sa pozitivnom promjenom slobodne energije, proces je jednosmjeran. Miozin se kreće duž aktina samo prema plus kraju.

Izvor energije za smanjenje

Za kontrakciju mišića koristi se energija hidrolize ATP-a, ali mišićna ćelija ima izuzetno efikasan sistem za regeneraciju zaliha ATP-a, tako da je u opuštenom i radnom mišiću sadržaj ATP-a približno jednak. Enzim fosfokreatin kinaza katalizuje reakciju između ADP i kreatin fosfata, čiji su produkti ATP i kreatin. Kreatin fosfat sadrži više uskladištene energije nego ATP. Zahvaljujući ovom mehanizmu, tokom naleta aktivnosti u mišićnoj ćeliji, sadržaj kreatin fosfata opada, ali se količina univerzalnog izvora energije – ATP – ne mijenja. Mehanizmi za regeneraciju rezervi ATP-a mogu varirati u zavisnosti od parcijalnog pritiska kiseonika u okolnim tkivima (videti Anaerobni organizmi).

Regulatorni mehanizam

U regulaciji mišićne aktivnosti uglavnom su uključeni neuroni, ali postoje slučajevi kada hormoni (na primjer, adrenalin i oksitocin) kontroliraju i kontrakciju glatkih mišića. Signal kontrakcije se može podijeliti u nekoliko faza:

Od stanične membrane do sarkoplazmatskog retikuluma

Učinak transmitera koji se oslobađa iz motornog neurona uzrokuje akcioni potencijal na ćelijskoj membrani mišićne ćelije, koji se dalje prenosi pomoću posebnih membranskih invaginacija zvanih T-tubule, koje se protežu od membrane u ćeliju. Iz T-tubula signal se prenosi u sarkoplazmatski retikulum - poseban odjeljak spljoštenih membranskih vezikula (endoplazmatski retikulum mišićne ćelije) koji okružuje svaku miofibrilu. Ovaj signal uzrokuje otvaranje Ca 2+ kanala u membrani retikuluma. Povratni Ca 2+ joni ulaze u retikulum uz pomoć membranskih kalcijum pumpi - Ca 2+ -ATPaze.

Od oslobađanja Ca 2+ jona do kontrakcije miofibrila

Da bi se kontrolisala kontrakcija, protein tropomiozin i kompleks od tri proteina - troponin (podjedinice ovog kompleksa nazivaju se troponini T, I i C) su vezani za aktinski filament. Troponin C je blizak homolog drugog proteina, kalmodulina. Postoji samo jedan troponinski kompleks koji se nalazi na svakih sedam aktinskih podjedinica. Vezivanje aktina za troponin I pomera tropomiozin u položaj koji ometa vezivanje miozina za aktin. Troponin C se vezuje za četiri Ca 2+ jona i slabi efekat troponina I na aktin, a tropomiozin zauzima poziciju koja ne ometa vezu aktina sa miozinom. Izvor energije za kontrakciju mišićnih vlakana je ATP. Kada se troponin veže za jone kalcija, aktiviraju se katalitički centri za cijepanje ATP-a na glavama miozina. Zbog enzimske aktivnosti miozinskih glava, ATP koji se nalazi na glavi miozina se hidrolizira, što daje energiju za promjenu konformacije glava i klizanje filamenata. ADP molekul i neorganski fosfat koji se oslobađaju tokom hidrolize ATP-a koriste se za naknadnu resintezu ATP-a. Novi ATP molekul se veže za glavu miozina. U ovom slučaju, poprečni most sa aktinskim filamentom je isključen. Ponovno spajanje i odvajanje mostova se nastavlja sve dok se koncentracija kalcija unutar miofibrila ne smanji na vrijednost ispod praga. Tada se mišićna vlakna počinju opuštati.

Književnost

B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Reff, K. Roberts, J. Watson, Molekularna biologija ćelije - U 3 toma - Trans. sa engleskog - T.2. - M.: Mir, 1994. - 540 str.
M. B. Berkinblit, S. M. Glagolev, V. A. Furalev, Opća biologija - U 2 dijela - 1. dio. - M.: MIROS, 1999. - 224 str.: ilustr.

Skraćivanje mišića je rezultat kontrakcije više sarkomera. Tokom skraćivanja aktinski filamenti klize u odnosu na filamente miozina, zbog čega se smanjuje dužina svakog sarkomera mišićnog vlakna. Istovremeno, dužina samih niti ostaje nepromijenjena. Miozinski filamenti imaju poprečne projekcije (poprečne mostove) duge oko 20 nm. Svaka izbočina se sastoji od glave, koja je preko “vrata” povezana sa miozinskim filamentom (slika 23).

U opuštenom stanju, mišići glava poprečnih mostova ne mogu stupiti u interakciju s aktinskim filamentima, jer su njihova aktivna mjesta (mesta međusobnog kontakta sa glavama) izolirana tropomiozinom. Skraćivanje mišića rezultat je konformacijskih promjena u poprečnom mostu: njegova glava se naginje savijanjem “vrata”.

Rice. 23. Prostorna organizacija kontraktilnih i regulatornih proteina u prugasto-prugastim mišićima. Prikazan je položaj miozinskog mosta (grabujući efekat, vrat je savijen) tokom interakcije kontraktilnih proteina u mišićnim vlaknima (kontrakcija vlakana)

Redoslijed procesa , pružanje kontrakcija mišićnih vlakana(elektromehanički interfejs):

1. Nakon pojave PD u mišićnom vlaknu u blizini sinapse (zbog električnog polja PKP) ekscitacije širi se preko membrane miocita, uključujući i na poprečnim membranama T-tubule. Mehanizam provođenja akcionih potencijala duž mišićnog vlakna je isti kao i kroz nemijelinizirano nervno vlakno - akcioni potencijal koji se pojavljuje u blizini sinapse, preko njenog električnog polja, osigurava pojavu novih akcionih potencijala u susjednom dijelu vlakna itd. . (kontinuirano provođenje ekscitacije).

2. Potencijal akcije T-tubule zbog svog električnog polja, aktivira naponsko regulirane kalcijumske kanale SPR membrana, kao rezultat toga Ca 2+ napušta SPR rezervoare prema elektrohemijskom gradijentu.

3. U interfibrilarnom prostoru Ca 2+ kontakti sa troponin, što dovodi do njegove konformacije i pomicanja tropomiozina, što rezultira aktinskim filamentima aktivna područja su izložena, sa kojim se povezuju glave miozinskih mostova.

4. Kao rezultat interakcije sa aktinom Povećava se aktivnost ATPaze glava miozinskih filamenata, osiguravajući oslobađanje ATP energije na koju se troši savijanje miozinskog mosta, spolja podsjeća na kretanje vesala pri veslanju (pokret zaveslaja) (vidi sliku 23), osiguravanje klizanja aktinskih filamenata u odnosu na filamente miozina. Energija jednog molekula ATP-a se troši da se završi jedan veslački pokret. U ovom slučaju, filamenti kontraktilnih proteina su pomaknuti za 20 nm. Vezivanje novog molekula ATP-a za drugi dio miozinske glave dovodi do prestanka njegovog angažmana, ali se energija ATP-a ne troši. U nedostatku ATP-a, miozinske glave se ne mogu odvojiti od aktina – mišić je napet; Ovo je, posebno, mehanizam ukočenosti.

5. Nakon ovoga glave poprečnih mostova se zbog svoje elastičnosti vraćaju u prvobitni položaj i uspostavljaju kontakt sa sledećim odsekom aktina; zatim se ponovo javlja drugi pokret veslanja i klizanje aktinskih i miozinskih filamenata. Slični elementarni činovi se ponavljaju mnogo puta. Jedan pokret veslanja (jedan korak) uzrokuje smanjenje dužine svakog sarkomera za 1%. Kada se izolirani mišić žabe kontrahira bez opterećenja od 50%, dolazi do skraćivanja sarkomera za 0,1 s. Da biste to učinili, morate izvesti 50 pokreta veslanja. Miozinski mostovi se savijaju asinhrono, ali zbog činjenice da ih ima mnogo i da je svaki miozinski filament okružen sa nekoliko aktinskih filamenata, kontrakcija mišića se odvija nesmetano.

Relaksacija rast mišića nastaje zbog procesa koji se odvijaju obrnutim redoslijedom. Repolarizacija sarkoleme i T-tubula dovodi do zatvaranja voltaž-zavisnih kalcijumskih kanala u SPR membrani. Ca pumpe vraćaju Ca 2+ u SPR (aktivnost pumpi raste sa povećanjem koncentracije slobodnih jona).

Smanjenje koncentracije Ca 2+ u interfibrilarnom prostoru uzrokuje obrnutu konformaciju troponina, zbog čega tropomiozinski filamenti izoliraju aktivna mjesta aktinskih filamenata, što onemogućuje interakciju glava miozinskih poprečnih mostova s njima. Klizanje aktinskih filamenata duž miozinskih filamenata u suprotnom smjeru nastaje pod utjecajem gravitacije i elastične vuče elemenata mišićnih vlakana, čime se vraćaju originalne dimenzije sarkomera.

Izvor energije za osiguranje rada skeletnih mišića je ATP, čiji su troškovi značajni. Čak iu uslovima glavne razmene za funkcionisanje mišića, telo koristi oko 25% svih svojih energetskih resursa. Potrošnja energije naglo raste tokom fizičkog rada.

Rezerve ATP-a u mišićnim vlaknima su neznatne (5 mmol/l) i mogu pružiti najviše 10 pojedinačnih kontrakcija.

Potrošnja energije ATP je neophodan za sledeće procese.

Prvo, energija ATP-a se troši kako bi se osigurao rad Na/K pumpe (održava gradijent koncentracije Na+ i K+ unutar i izvan ćelije, formirajući PP i PD, koji osigurava elektromehaničku spregu) i rad pumpe. Ca pumpa, koja smanjuje koncentraciju Ca 2+ u sarkoplazmi nakon kontrakcije mišićnog vlakna, što dovodi do opuštanja.

Drugo, energija ATP-a se troši na veslanje miozinskih mostova (njihovo savijanje).

ATP resynthesis koji se odvija uz pomoć tri energetska sistema tijela.

1. Fosfogeni energetski sistem osigurava resintezu ATP-a zbog visoko energetski intenzivnog CP prisutnog u mišićima i adenozin difosforne kiseline (adenozin difosfat, ADP) koja nastaje prilikom razgradnje ATP-a sa stvaranjem kreatina (K): ADP + + CP → ATP + K. Ovo je trenutna resinteza ATP-a, dok mišić može razviti veću snagu, ali na kratko - do 6 s, pošto su rezerve CP u mišićima ograničene.

2. Anaerobni glikolitički energetski sistem obezbeđuje resintezu ATP-a koristeći energiju anaerobnog razlaganja glukoze do mlečne kiseline. Ovaj put resinteze ATP-a je brz, ali i kratkotrajan (1-2 min), jer nakupljanje mliječne kiseline inhibira aktivnost glikolitičkih enzima. Međutim, laktat, izazivajući lokalni vazodilatatorni učinak, poboljšava protok krvi u radnom mišiću i njegovu opskrbu kisikom i hranjivim tvarima.

3. Aerobni energetski sistem osigurava ponovnu sintezu ATP-a upotrebom oksidativna fosforilacija ugljikohidrata i masnih kiselina, koji se javlja u mitohondrijima mišićnih ćelija. Ova metoda može obezbijediti energiju za funkciju mišića nekoliko sati i glavni je način obezbjeđivanja energije za rad skeletnih mišića.

Kontrakcija mišića je vitalna funkcija tijela povezana s odbrambenim, respiratornim, nutritivnim, seksualnim, izlučivim i drugim fiziološkim procesima. Sve vrste voljnih pokreta - hodanje, mimika, pokreti očnih jabučica, gutanje, disanje itd. izvode se skeletnim mišićima. Nehotični pokreti (osim kontrakcije srca) - peristaltika želuca i crijeva, promjene tonusa krvnih žila, održavanje tonusa mjehura - uzrokovani su kontrakcijom glatkih mišića. Rad srca osigurava se kontrakcijom srčanih mišića.

Strukturna organizacija skeletnih mišića

Mišićno vlakno i miofibril (slika 1). Skeletni mišić se sastoji od mnogih mišićnih vlakana koja imaju tačke vezivanja za kosti i nalaze se paralelno jedna s drugom. Svako mišićno vlakno (miocit) uključuje mnoge podjedinice - miofibrile, koje su građene od blokova (sarkomera) koji se ponavljaju u uzdužnom smjeru. Sarkomer je funkcionalna jedinica kontraktilnog aparata skeletnih mišića. Miofibrile u mišićnom vlaknu leže na takav način da se lokacija sarkomera u njima podudara. Ovo stvara uzorak unakrsnih pruga.

Sarkomer i filamenti. Sarkomeri u miofibrili su međusobno odvojeni Z-pločama koje sadrže protein beta-aktinin. U oba smjera tanka aktinskim filamentima. U razmacima između njih nalaze se deblji miozinski filamenti.

Aktinski filament spolja podsjeća na dva niza perli uvijenih u dvostruku spiralu, gdje je svaka zrna proteinska molekula actin. Proteinski molekuli leže u udubljenjima aktinskih spirala na jednakoj udaljenosti jedan od drugog. troponin, povezan sa molekulama proteina nalik na niti tropomiozin.

Miozinski filamenti nastaju ponavljanjem proteinskih molekula miozin. Svaki molekul miozina ima glavu i rep. Glava miozina se može vezati za molekul aktina, formirajući tzv cross bridge.

Stanična membrana mišićnog vlakna formira invaginacije ( transverzalnih tubula), koji obavljaju funkciju provođenja ekscitacije na membranu sarkoplazmatskog retikuluma. Sarkoplazmatski retikulum (uzdužni tubuli) To je unutarćelijska mreža zatvorenih cijevi i obavlja funkciju odlaganja Ca++ jona.

Motorna jedinica. Funkcionalna jedinica skeletnih mišića je motorna jedinica (MU). MU je skup mišićnih vlakana koja su inervirana procesima jednog motornog neurona. Ekscitacija i kontrakcija vlakana koja čine jednu motoričku jedinicu dešavaju se istovremeno (kada je pobuđen odgovarajući motorni neuron). Pojedinačne motorne jedinice mogu se pobuđivati i skupljati nezavisno jedna od druge.

Molekularni mehanizmi kontrakcije skeletnih mišića

Prema teorije klizanja niti, kontrakcija mišića nastaje zbog klizanja aktinskih i miozinskih filamenata jedan u odnosu na druge. Mehanizam klizanja niti uključuje nekoliko uzastopnih događaja.

Glave miozina se vezuju za centre vezivanja aktinskih filamenata (slika 2 A).

Interakcija miozina s aktinom dovodi do konformacijskih preuređivanja molekula miozina. Glave stiču aktivnost ATPaze i rotiraju se za 120°. Usled rotacije glava, aktinski i miozinski filamenti se pomeraju „za jedan korak” jedan u odnosu na druge (slika 2, B).

Odvajanje aktina i miozina i obnavljanje konformacije glave nastaje kao rezultat vezivanja molekula ATP za glavu miozina i njegove hidrolize u prisustvu Ca++ (slika 2, B).

Ciklus “vezivanje – promjena konformacije – odvajanje – obnavljanje konformacije” se dešava mnogo puta, zbog čega se aktinski i miozinski filamenti pomiču jedni u odnosu na druge, Z-diskovi sarkomera se približavaju i miofibril se skraćuje (slika 2. , D).

Spoj ekscitacije i kontrakcije u skeletnim mišićima

U stanju mirovanja ne dolazi do klizanja niti u miofibrili, jer su centri vezivanja na površini aktina zatvoreni proteinskim molekulima tropomiozina (Sl. 3, A, B). Ekscitacija (depolarizacija) miofibrila i sama kontrakcija mišića povezani su s procesom elektromehaničkog spajanja, koji uključuje niz uzastopnih događaja.

Kao rezultat aktiviranja neuromuskularne sinapse na postsinaptičkoj membrani, nastaje EPSP, koji stvara razvoj akcionog potencijala u području koje okružuje postsinaptičku membranu.

Ekscitacija (akcioni potencijal) se širi duž membrane miofibrila i kroz sistem transverzalnih tubula stiže do sarkoplazmatskog retikuluma. Depolarizacija membrane sarkoplazmatskog retikuluma dovodi do otvaranja Ca++ kanala u njoj, kroz koje joni Ca++ ulaze u sarkoplazmu (Sl. 3, B).

Ca++ joni se vezuju za protein troponin. Troponin mijenja svoju konformaciju i istiskuje molekule proteina tropomiozina koji su pokrivali centre vezivanja aktina (slika 3, D).

Glave miozina se vežu za otvorene centre vezivanja i počinje proces kontrakcije (slika 3, E).

Za razvoj ovih procesa potreban je određeni vremenski period (10–20 ms). Vrijeme od trenutka ekscitacije mišićnog vlakna (mišića) do početka njegove kontrakcije naziva se latentni period kontrakcije.

Opuštanje skeletnih mišića

Opuštanje mišića je uzrokovano obrnutim prijenosom Ca++ jona kroz kalcijevu pumpu u kanale sarkoplazmatskog retikuluma. Kako se Ca++ uklanja iz citoplazme, sve je manje otvorenih mjesta vezivanja i na kraju se aktinski i miozinski filamenti potpuno odvajaju; dolazi do opuštanja mišića.

Kontraktura naziva se uporna, dugotrajna kontrakcija mišića koja traje nakon prestanka stimulacije. Kratkotrajna kontraktura se može razviti nakon tetanične kontrakcije kao rezultat nakupljanja velikih količina Ca++ u sarkoplazmi; dugotrajna (ponekad ireverzibilna) kontraktura može nastati kao posljedica trovanja i metaboličkih poremećaja.

Faze i načini kontrakcije skeletnih mišića

Faze mišićne kontrakcije

Kada se skeletni mišić iritira jednim impulsom električne struje iznadgranične jačine, dolazi do jedne mišićne kontrakcije u kojoj se razlikuju 3 faze (slika 4, A):

Latentni (skriveni) period kontrakcije (oko 10 ms), tokom kojeg se razvija akcioni potencijal i javljaju se procesi elektromehaničkog spajanja; ekscitabilnost mišića tijekom jedne kontrakcije mijenja se u skladu s fazama akcionog potencijala;

Faza skraćivanja (oko 50 ms);

Faza relaksacije (oko 50 ms).

Načini kontrakcije mišića

U prirodnim uvjetima, u tijelu se ne opaža jedna mišićna kontrakcija, jer se niz akcionih potencijala javlja duž motoričkih nerava koji inerviraju mišić. U zavisnosti od frekvencije nervnih impulsa koji dolaze do mišića, mišić se može kontrahirati na jedan od tri načina (slika 4, B).

Pojedinačne mišićne kontrakcije se javljaju pri niskim frekvencijama električnih impulsa. Ako sljedeći impuls uđe u mišić nakon završetka faze opuštanja, dolazi do niza uzastopnih pojedinačnih kontrakcija.

Na višoj frekvenciji pulsa, sljedeći puls se može poklopiti s fazom opuštanja prethodnog ciklusa kontrakcije. Amplituda kontrakcija će se sabrati i biće nazubljeni tetanus- produžena kontrakcija, prekinuta periodima nepotpune relaksacije mišića.

Uz daljnje povećanje frekvencije pulsa, svaki sljedeći impuls će djelovati na mišić tokom faze skraćivanja, što će rezultirati glatki tetanus- produžena kontrakcija, ne prekidana periodima opuštanja.

Optimalna i pesimalna frekvencija

Amplituda tetanične kontrakcije ovisi o učestalosti impulsa koji iritiraju mišić. Optimalna frekvencija oni nazivaju frekvenciju iritirajućih impulsa pri kojoj se svaki naredni impuls poklapa sa fazom povećane ekscitabilnosti (slika 4, A) i, shodno tome, izaziva tetanus najveće amplitude. Pesimalna frekvencija naziva se viša frekvencija stimulacije, pri kojoj svaki sljedeći strujni impuls pada u refraktornu fazu (slika 4, A), zbog čega se amplituda tetanusa značajno smanjuje.

Rad skeletnih mišića

Snagu kontrakcije skeletnih mišića određuju 2 faktora:

Broj jedinica uključenih u smanjenje;

Učestalost kontrakcije mišićnih vlakana.

Rad skeletnih mišića ostvaruje se kroz koordiniranu promjenu tonusa (napetosti) i dužine mišića tokom kontrakcije.

Vrste rada skeletnih mišića:

dinamično savladavanje rada nastaje kada mišić, kontrahirajući, pomiče tijelo ili njegove dijelove u prostoru;

statički (držeći) rad izvodi se ako se zbog kontrakcije mišića dijelovi tijela održavaju u određenom položaju;

rad sa dinamičkim popuštanjem javlja se kada mišić funkcionira, ali je istegnut jer sila koju stvara nije dovoljna da pomjeri ili zadrži dijelove tijela.

Tokom rada mišić se može kontrahirati:

izotoničan– mišić se skraćuje pod stalnom napetošću (spoljno opterećenje); izotonična kontrakcija se reproducira samo u eksperimentu;

izometrija– napetost mišića raste, ali se njegova dužina ne mijenja; mišić se izometrijski kontrahuje prilikom izvođenja statičkog rada;

auxotonic– napetost mišića se mijenja kako se skraćuje; auksotonična kontrakcija se izvodi tokom dinamičkog savladavanja.

Pravilo prosječnih opterećenja– mišić može obaviti maksimalan rad pri umjerenim opterećenjima.

Umor– fiziološko stanje mišića koje se razvija nakon dužeg rada i manifestuje se smanjenjem amplitude kontrakcija, produženjem latentnog perioda kontrakcije i fazom opuštanja. Uzroci umora su: iscrpljivanje rezervi ATP-a, nakupljanje metaboličkih produkata u mišićima. Zamor mišića tokom ritmičkog rada manji je od zamora sinapse. Stoga, kada tijelo obavlja mišićni rad, umor se u početku razvija na nivou sinapsi centralnog nervnog sistema i neuromišićnih sinapsa.

Strukturna organizacija i kontrakcija glatkih mišića

Strukturna organizacija. Glatki mišići se sastoje od pojedinačnih ćelija u obliku vretena ( miociti), koji se nalaze u mišiću manje-više haotično. Kontraktilni filamenti su raspoređeni nepravilno, zbog čega nema poprečne pruge mišića.

Mehanizam kontrakcije sličan je onom kod skeletnih mišića, ali brzina klizanja filamenta i brzina hidrolize ATP-a su 100-1000 puta niže nego u skeletnim mišićima.

Mehanizam sprege ekscitacije i kontrakcije. Kada je ćelija uzbuđena, Ca++ ulazi u citoplazmu miocita ne samo iz sarkoplazmatskog retikuluma, već i iz međućelijskog prostora. Joni Ca++, uz učešće proteina kalmodulina, aktiviraju enzim (miozin kinazu) koji prenosi fosfatnu grupu sa ATP-a na miozin. Fosforilirane miozinske glave stiču sposobnost vezivanja za aktinske filamente.

Kontrakcija i opuštanje glatkih mišića. Brzina uklanjanja Ca++ jona iz sarkoplazme je mnogo manja nego u skeletnim mišićima, zbog čega se relaksacija odvija vrlo sporo. Glatki mišići izvode duge tonične kontrakcije i spore ritmičke pokrete. Zbog niskog intenziteta hidrolize ATP-a, glatki mišići su optimalno prilagođeni za dugotrajnu kontrakciju, što ne dovodi do umora i velike potrošnje energije.

Fiziološka svojstva mišića

Opća fiziološka svojstva skeletnih i glatkih mišića su razdražljivost I kontraktilnost. Uporedne karakteristike skeletnih i glatkih mišića date su u tabeli. 6.1. Fiziološka svojstva i karakteristike srčanog mišića razmatraju se u odjeljku “Fiziološki mehanizmi homeostaze”.

Tabela 7.1.Komparativne karakteristike skeletnih i glatkih mišića

Nekretnina	Skeletni mišići	Glatki mišići
Stopa depolarizacije		sporo
Refraktorni period	kratko	dugo
Priroda kontrakcije	brza faza	spori tonik
Troškovi energije
Plastika
Automatski
Provodljivost
Inervacija	motornih neurona somatskog NS-a	postganglijski neuroni autonomnog nervnog sistema
Izvedeni pokreti	proizvoljno	nevoljni
Hemijska osjetljivost
Sposobnost podjele i razlikovanja

Plastika glatke mišiće očituje se u tome da mogu održavati konstantan tonus kako u skraćenom tako i u produženom stanju.

Provodljivost glatko mišićno tkivo se očituje u činjenici da se ekscitacija širi od jednog miocita do drugog kroz specijalizirane električno vodljive kontakte (neksuse).

Nekretnina automatizacija glatki mišić se manifestuje u tome što se može kontrahovati bez učešća nervnog sistema, zbog činjenice da su neki miociti u stanju da spontano generišu akcione potencijale koji se ritmički ponavljaju.

A. Sistem sarkoplazmatskih tubula miocita (mišićna vlakna)

Stimulacija mišićnih vlakana

Oslobađanje u blizini rezultira strujom završne ploče koja se elektrotonički širi i aktivira brze naponsko-zavisne Na + kanale u sarkolemi. To dovodi do pojave (PD), koja se odvija brzinom od 2 m/s duž sarkoleme cijelog mišićnog vlakna i brzo prodire u dubinu vlakna duž T-sistema (A).

Genetski defekti u strukturi natrijevih kanala usporavaju njihovu deaktivaciju, što dovodi do povećane ekscitabilnosti uz produženo trajanje kontrakcije i odgođeno opuštanje skeletnih mišića (miotonija). Povećanje mišićne aktivnosti je praćeno masivnim oslobađanjem kalijevih jona iz vlakana. To dovodi do hiperkalemije, pri čemu mišić dostiže vrijednosti pri kojima se natrijevi kanali više ne mogu aktivirati i mišić postaje privremeno paraliziran: obiteljska hiperkalemijska periodična paraliza.

B. Ca 2+ kao posrednik između električne stimulacije i kontrakcije

Prijelaz iz ekscitacije u se naziva (B). U skeletnim mišićima, ovaj proces počinje akcionim potencijalom koji pobuđuje naponsko zavisne dihidropiridinske receptore (DHPR) u sarkolemi u regiji trijade. Ovi receptori su organizovani u redove, a naspram njih u susednoj membrani sarkoplazmatskog retikuluma su redovi Ca 2+ kanala koji se nazivaju rijanodinski receptori (RYR; u skeletnim mišićima, rijanodinski receptor tip 1 - skraćeno RYR1). Svaki drugi RYR1 povezan je sa DHPR (B2). RYR1 se otvaraju kada mehanički "osete" promjenu u DHPR konformaciji pod akcionim potencijalom. U miokardu, svaki DHPR je dio naponsko-zavisnog sarkolemalnog Ca 2+ kanala koji se otvara kao odgovor na akcioni potencijal. Male količine ekstracelularnog Ca 2+ ulaze u ćeliju kroz ovaj kanal, što dovodi do otvaranja RYR2 kanala miokarda (tzv. Ca 2+ inducirajući efekat, ili “Ca 2+ burst”, BZ). Ca 2+ joni pohranjeni u SR oslobađaju se kroz otvoreni RYR1 ili RYR2 u citoplazmu, povećavajući citoplazmatsku koncentraciju Ca 2+ na više od 1 μmol/L u poređenju sa koncentracijom u mirovanju od -0,01 μmol/L (B1). U skeletnim mišićima, stimulacija DHPR-a na jednom mjestu je dovoljna da pokrene “koherentno” otvaranje cijele RYR1 grupe. Ovo povećava pouzdanost impulsa. Povećana koncentracija Ca 2+ u citoplazmi zasićuje Ca 2+ -vezna mjesta troponina C, ukidajući inhibitorni učinak tropomiozina na klizanje filamenta (G), što sprječava snažno (visokog afiniteta) vezivanje aktina i miozina II .

Kod pacijenata s genetskim defektima RYR1, opća anestezija može dovesti do masivnog oslobađanja kalcija, što uzrokuje snažne mišićne kontrakcije praćene brzim i po život opasnim povećanjem tjelesne temperature: maligna hipertermija (=fulminantna hiperpireksija).

B. Klizna filamenta

Molekuli ATP-a su neophodni za klizanje filamenata, a samim tim i za kontrakciju mišića. Zbog svoje aktivnosti ATPaze, miozinske glave djeluju kao motori (motorni proteini) za ovaj proces. Filamenti miozina-ll i aktina u sarkomeru su organizovani na takav način da mogu da klize jedan preko drugog. Glave miozina se povezuju sa aktinskim filamentima pod posebnim uglom, formirajući takozvane poprečne mostove (B1). Zbog konformacijskih promjena u području nukleotidnog vezivnog mjesta miozina-ll, čije se prostorne dimenzije povećavaju koordinisanim kretanjem regije vrata, glava miozina se naginje, istiskujući tanke filamente u dva uzastopna „koraka“ za ukupni od 4-12 nm (radni sat). Druga glava miozina također može djelovati na susjedni aktinski filament, uzrokujući njegovo kontrakciju. Glava se tada odvaja i „napreže“ pripremajući se za sledeći „udar“ kada se ponovo veže za aktin (V3).

Kinezin, još jedan motorni protein, kreće se nezavisno duž mikrotubule tako što "korača" njene dvije glave (8 nm po ciklusu), kao u potezanju konopa. U ovom slučaju, 50% ciklusa je “radno vrijeme” (faktor efikasnosti 0,5). U skeletnim mišićima, između dvije uzastopne interakcije s aktinom, sam miozin-ll pravi "skok" od 36 nm (ili višekratnik od 36, kao što je brza kontrakcija od 396 nm ili više) kako bi stigao do sljedećeg (ili 11.). zgodno locirano mjesto vezivanja aktina (V3, skok od a do b). U isto vrijeme, druge miozinske glave koje rade na datom aktinskom filamentu moraju napraviti najmanje 10 do 100 poteza od približno 4 nm svaka. Efikasnost glave miozina-ll je stoga između 0,1 i 0,01. Ova "podjela rada" između miozinskih glava osigurava da je određeni dio miozinskih glava uvijek spreman za brzu kontrakciju.

Kako filamenti klize, Z-diskovi se približavaju jedan drugom, a područja gdje se tanki i debeli slojevi preklapaju postaju šira, ali njihova ukupna dužina ostaje ista. To dovodi do skraćivanja 1-pojasa i H-zone. Kada krajevi debelih filamenata "kliznu" na Z-disk, dolazi do maksimalnog skraćivanja mišića i krajevi tankih filamenata se preklapaju. Do skraćivanja sarkomera dolazi na oba kraja miozinskih snopova, ali u suprotnim smjerovima.

D. Radni ciklus kliznih filamenata

Mehanizam kontrakcije mišića

Svaka od dvije glave molekula miozina-ll (M) vezuje jedan ATP molekul na mjestu vezanja nukleotida uz pomoć Mg2+ jona. Rezultirajući M-ATP kompleks nalazi se pod uglom od približno 45° u odnosu na ostatak molekula (G4). U ovom stanju, miozin ima vrlo mali afinitet za aktin. Zbog efekta povećane koncentracije Ca 2+ u citoplazmi na troponin-tropomiozin kompleks, aktin (A) aktivira miozin ATPazu, što dovodi do hidrolize ATP (ADP + Fn) i stvaranja aktin-miozina -ADP-Fn kompleks (G1). Nakon toga, glave miozina-ll se ponovo ispravljaju - rezultat ove konformacijske promjene je da se konstanta asocijacije aktina sa miozinom povećava za četiri reda veličine (B1, D1). Fn (anorganski fosfat) se odvaja od kompleksa, što uzrokuje odstupanje glave miozina za 40° (G2a). Ovo uzrokuje da filamenti aktina i miozina klize jedan pored drugog (prva faza snažnog udara). Naknadno oslobađanje ADP-a uzrokuje drugu fazu kontrakcije skeletnih mišića, koja se jedinstveno završava konačnim položajem miozinskih glava (G2b). Zadržani kompleks aktin-miozin (rigidni kompleks) je stabilan i može se konvertovati u prisustvu ATP-a u novi kompleks u kojem su glave miozina labavo vezane za ATP [efekat „omekšavanja“ ATP-a] G4). Veća pokretljivost mišića u mirovanju važna je za procese kao što je punjenje srca ili opuštanje mišića ekstenzora tokom brzog pokreta fleksije. Ako koncentracija Ca 2+ >10-6 mol/l ostane u citoplazmi, ciklusi I i G4 počinju iznova. To uglavnom ovisi o tome hoće li doći sljedeći akcioni potencijal. Da bi se osigurala glatka kontrakcija, samo dio miozinskih glava koje povlače miozinski filament su istovremeno „zauzeti“ (niska efikasnost).

Ca 2+ joni koji se oslobađaju iz sarkoplazmatskog retikuluma (SR) kontinuirano se pumpaju nazad kroz aktivni transport pomoću Ca 2+ -ATPaze, koja se također naziva SERCA. Dakle, ako se RYR-posredovano oslobađanje Ca 2+ iz sarkoplazmatskog retikuluma prekine, koncentracija Ca 2+ u citoplazmi pada ispod 10-6 mol/L i klizanje filamenta prestaje (stanje mirovanja, D, gornji lijevi kut).

Parvalbumin, protein prisutan u citoplazmi (F-vlakna), ubrzava opuštanje mišića nakon kratke faze mišićne kontrakcije izdvajanjem Ca 2+ iz citoplazme u zamjenu za Mg 2+. Afinitet parvalbumina za Ca 2+ je veći od afiniteta troponina, ali niži od afiniteta Ca 2+ -ATPaze sarkoplazmatskog retikuluma. Dakle, parvalbumin djeluje kao “spori” Ca 2+ pufer.

Tok ciklusa klizanja filamenta, kako je gore opisano, uglavnom se odnosi na izotonične kontrakcije, odnosno kontrakcije tokom kojih se skeletni mišić skraćuje. Tokom striktno izometrijske kontrakcije, kada se napetost mišića povećava, ali dužina mišića ostaje nepromijenjena, ne može doći do otklona miozinskih glava i međusobnog klizanja filamenata. Umjesto toga, tokom izometrijske kontrakcije, sila se postiže deformacijom miozinskih glava (MH).

Mišićna vlakna mrtvog tijela ne proizvode ATP. To znači da se nakon smrti Ca 2+ više ne pumpa natrag u SR i rezerve ATP-a potrebne za razgradnju stabilnog kompleksa aktin-miozin se ubrzo iscrpljuju. Ovo rezultira rigidnošću mrtvog tijela (rigor mortis), koja se povlači tek nakon što se aktin i miozin u mišićnom vlaknu razgrađuju.

Mehanika skeletnih mišića

A. Snaga mišića sa povećanjem i smanjenjem učestalosti stimulacije

Akcijski potencijali koji se stvaraju u mišićnom vlaknu povećavaju unutarćelijsku koncentraciju Ca 2+, [Ca 2+ ]intracelularno, inicirajući kontrakciju (skeletni mišić; miokard). U skeletnim mišićima regulacija sile kontrakcije postiže se učešćem različitog broja motoričkih jedinica i promjenom frekvencije akcionog potencijala. Pojedinačni stimulans, ako je iznad nivoa praga, uvijek dovodi do maksimalnog oslobađanja Ca 2+, a time i do maksimalno intenzivne pojedinačne kontrakcije (odgovor sve ili ništa). Međutim, takav jedan stimulus ne izaziva maksimalno skraćivanje mišićnih vlakana jer je prekratak da bi se klizni filamenti održavali u pokretu dok se ne dostigne konačna pozicija. Skraćivanje mišića nastavlja se samo ako drugi podražaj stigne prije nego što se mišić potpuno opusti nakon prvog stimulusa. Ovo ponavljanje stimulusa dovodi do sve veće mehaničke sumacije, ili superpozicije, pojedinačnih kontrakcija (A). Ako frekvencija stimulacije postane toliko visoka da se mišić više ne može opustiti između podražaja, tada dolazi do produžene maksimalne kontrakcije motoričkih jedinica, odnosno tetanusa (A). To se događa, na primjer, na 20 Hz kod sporih mišića i na 60-100 Hz kod mišića koji se brzo trzaju. Mišićna snaga tokom tetanusa može biti četiri puta veća nego tokom jedne kontrakcije skeletnih mišića. Koncentracija Ca 2+ blago se smanjuje između sumativnih stimulusa, ali ostaje visoka tokom tetanusa.

Rigor, kao i kontraktura, karakterizira uporno skraćivanje mišića. Ovo stanje se mora razlikovati od tetanusa. Kontraktura nije uzrokovana akcionim potencijalom, već upornom lokalnom depolarizacijom, na primjer zbog povećane unutarćelijske koncentracije K + (K + kontraktura) ili induciranog oslobađanja Ca 2+, na primjer, kao odgovor na kofein. Kontrakcija takozvanih izotoničnih vlakana (posebna vlakna vanjskih mišića oka i mišićnih vretena; str. 326) je također oblik kontrakture. Izotonična vlakna ne reaguju na podražaje po zakonu „sve ili ništa“, već se skupljaju proporcionalno veličini depolarizacije. Stepen kontrakcije izotoničnih vlakana reguliše se promenama koncentracije Ca 2+ u citoplazmi (a ne akcionim potencijalom!).

Nasuprot tome, opći tonus mišića (refleksni tonus), ili trajna napetost skeletnog mišića u mirovanju, odnosi se na razvoj normalnih akcionih potencijala u pojedinačnoj motoričkoj jedinici. Pojedinačne kontrakcije se ne mogu zabilježiti jer motorne jedinice rade asinhrono. Na primjer, kičmeni mišići (koji podržavaju držanje), dok su očigledno u mirovanju, u nevoljnoj su napetosti. Tonus mišića u mirovanju regulira se refleksima i povećava se s povećanom pažnjom.

Vrste skraćenica

B. Vrste skraćenica

Postoje različite vrste mišićnih kontrakcija. Tokom izometrijske kontrakcije, mišićna sila (napetost) se mijenja, ali dužina mišića ostaje konstantna. (Kod srčanog mišića ovaj tip je predstavljen izovolumetrijskom (izovolumetrijskom) kontrakcijom, jer dužina mišića određuje volumen pretkomora i ventrikula.) Kod izotonične kontrakcije dužina mišića se mijenja pod utjecajem konstantne mišićne sile. (Kod srčanog mišića, ovaj tip je predstavljen izobaričnom kontrakcijom (pri konstantnom pritisku) - mišićna sila određuje pritisak u atrijumu ili ventrikulu.) Kod auksotonične kontrakcije, dužina i snaga mišića se istovremeno mijenjaju. Izotonična ili auksotonična kontrakcija, koja se formira na osnovu izometrijske, naziva se kontrakcija sa naknadnim opterećenjem.

Rastezljivost mišića

B. Izometrijska snaga mišića na različitim dužinama sarkomera

Mišić u mirovanju koji sadrži ATP može se istegnuti kao da je guma. Sila potrebna za pokretanje relaksacije mišića (R, D, sila mirovanja) je vrlo mala, ali raste eksponencijalno u slučaju elastičnog mišića (vidi krivulju mirovanja, D). Otpor mišića na istezanje, koji sprečava odvajanje kliznih filamenata u sarkomeru, u određenoj mjeri zavisi od fascije (vlaknastog tkiva). Glavni faktor je, međutim, džinovska elastična molekula u obliku niti nazvana titin (ili konektin; dugačak 1000 nm, težak 3 do 3,7 MDa), koji je uključen u sarkomer (6 molekula titina po filamentu miozina). U A regiji svakog sarkomera, titin se nalazi u blizini miozinskog filamenta i pomaže da se zadrži u centru sarkomera. Molekuli titina u području trake I su fleksibilni i funkcionišu kao "elastične trake" koje se odupiru pasivnoj kontrakciji mišića i utiču na brzinu skraćivanja mišića.

D. Aktivne i pasivne komponente mišićne snage

Protezljivost molekule titina (titin se može rastegnuti do oko deset puta svoje prvobitne dužine u skeletnim mišićima i nešto manje u srčanom mišiću) određena je čestim ponavljanjem PEVK (prolin-glutamat-valin-lizin) sekvence. Uz vrlo snažno istezanje mišića, koje je predstavljeno najstrmijim dijelom krivulje mirovanja (D), također se razvijaju elementi globularnog lanca koji se nazivaju domeni imunoglobulina C2. Što se mišić brže kontrahira, to će biti neočekivaniji i nagliji učinak ovog "amortizera".

D. krivulje dužina-sila za skeletne i srčane mišiće

Dužina (L) i snaga (F), ili “napetost” mišića su usko povezani (B, D). Ukupna snaga mišića je zbir njegove aktivne sile i napetosti u mirovanju, kao što je gore opisano. Pošto je aktivna sila određena veličinom svih potencijalnih interakcija aktin-miozin, ona varira u skladu sa početnom dužinom sarkomera (C, D). Skeletni mišić može razviti maksimalnu aktivnu (izometrijsku) silu (F0) iz svoje dužine mirovanja (Lmax; dužina sarkomera je približno 2 do 2,2 µm; B). Kada se sarkomeri skrate, (L< Lmax), часть тонких филаментов перекрывается - развиваемая сила меньше Fq (В). При L -0,7 /тах (длина саркомера 1,65 мкм) толстые филаменты контактируют с Z-диском - F еще меньше. Кроме того, способность предварительно растянутой мышцы }