Как известно, человек не может жить без мимики, передвижений и других функций организма, основой которых является сокращение мышц. Вопрос о механизме мышечного сокращения на сегодняшний момент достаточно актуален. Ведь несмотря на то, что этой проблемой ученые интересуются довольно давно, и к середине прошлого века была сформулирована модель, объясняющая как происходит мышечное сокращение, механизм функционирования этой модели до конца открыт не был.
Классической признана модель мышечного сокращения на клеточном уровне, предложенная в 1954 г., названная «кросс – мост». Ее одновременно разрабатывали несколько ученых независимо друг от друга. Как известно, суть этой теории заключается в скольжении актина по миозину, при участии ионов кальция, АТФ и ряда белков. При этом длина самих нитей не меняется, меняется лишь расстояние между ними[2].
Однако при удлинении саркомера более чем на 4 мкм модель кросс- мост не может объяснить природу сил, обеспечивающих дальнейшее растяжение саркомера, кроме того не учитывается полный белковый и ферментный состав структурной единицы миофибрилл, хотя доказано, что помимо актина и миозина в сокращении мышечного волокна весомую роль играют белки титин и небулин, ферменты Akt и креатинкиназа[1].
На сегодняшний день доказано, что в основном растяжение саркомера более чем на 4 мкм регулирует гигантский белок титин. Титин (другое название тайтин или коннектин) — самый большой одиночный полипептид. Титин – составляет 9% всех белков миофибрилл; он локализуется между z- линией и м- линией саркомера; состоит главным образом из линейных блоков модулей двух типов – тип I (фибронектиновый домен) и тип II (иммуноглобулиноподобный домен).
Выявлено, что титин изменяет свои свойства в присутствии кальция, путем связывания кальция в так называемых PEVK местах и некоторых участках иммуноглобулинов. Это обеспечивает определенный прирост силы. Тем не менее, эти изменения являются недостаточными, чтобы объяснить массовый прирост силы при длительных изменениях длины саркомера[4,7].
Есть несколько теорий, которые могли бы объяснить этот механизм:
- Теория намотки нити – обмотка титином вращающихся актиновых филаментов или связывание проксимальных отделов титина и актина, что уменьшает длину свободной пружины в несколько раз. Комплекс актин – титин активен только при активности миофибрилл. Предположительно, за счет этого комплекса обеспечивается определенный уровень сцепления между актином и миозином и активируются силовые воздействия, необходимые для повышенного растяжения.
- Теория нитей огрубления – титин жестко связывается с актином, сокращая длину свободной пружины в несколько раз, в результате этого будет наблюдаться применение большей силы при растяжении по сравнению с пассивным растяжением саркомеров [1].
Высокая изменчивость присуща участкам молекулы титина, находящимся в I-полосе, М-линии, Z-диске. Изменчивость участка I-полосы определяет различия в степени эластичности изоформ титина, и, как следствие, различия в эластичности разных типов мышц. Из многих известных вариантов титина только для пяти изоформ полностью расшифрована последовательность аминокислот [3,7].
Небулин – длинный нерастяжимый белок, связанный с Z-диском и идущий параллельно актиновым филаментам. Множество изоформ небулина, образующихся за счет альтернативного сплайсинга гена NEB, определяют молекулярное разнообразие Z-дисков. Около 90% первичной структуры небулина состоит из примерно 35 остатков α-спиральных доменов, которые образуют суперповторы, связывающие актин с высоким сродством. Каждый из таких повторов является местом связывания актина с тропомиозином[5,6].
При разного рода мутациях в гене небулина образовавшийся белок либо не связывается с актином и тропомиозином, либо связывается, но не выполняет своих функций в полной мере. В связи с этим возможны дефекты мышечного сокращения. Мутации гена небулина являются основной причиной немалиновой миопатии у людей [8].
Также в состав саркомера входит белок тропонин. Благодаря тропонину осуществляется скольжение актина и миозина относительно друг друга. В саркомере образуется комплекс, состоящий из трёх взаимосвязанных единиц: тропонина Т, тропонина С и тропонина I в соотношении 2:1:1. Тропонин Т обеспечивает связь тропонинового комплекса с волокнами тропомиозина. Тропонин С связывается с ионами кальция, необходимыми для осуществления сокращения. Тропонин I подавляет сократительный акт во время восстановительной фазы[1,4,6].
Немалую роль в осуществлении сокращения саркомера играет фермент Akt. Активированный Akt участвует в ряде метаболических реакций посредством фосфорилирования многочисленных субстратов. Далее фермент фосфорилириует белки ядра и здесь же происходит его инактивация.
Регуляция метаболизма глюкозы происходит при участии Akt. Глюкоза как источник энергии поступает в мышечные клетки под действием инсулина. Инсулин может стимулировать активацию Akt. Экспериментально доказано, что сократительная активность мышц повышает скорость поступления глюкозы в мышцы, т.е физическая нагрузка является стимулом для поступления глюкозы в мышцы и выработки инсулина соответственно. С другой стороны, Akt оказывает влияние на синтез гликогена[2].
Кроме того, данный фермент оказывает непосредственное влияние на сократительную активность мышц – увеличение синтеза белков, связанных с Z-диском (регуляция состава миофибриллярной системы цитоскелета); участие в увеличении размера мышечных волокон; контроль процесса распада белков; увеличение сократительной активности мышц [3].
Креатинкиназа – это фермент, который катализирует реакцию переноса фосфорильного остатка с АТФ на креатинин с образованием креатинфосфата и АДФ. Реакция, катализируемая креатинкиназой, обеспечивает энергией мышечные сокращения. Различают креатинкиназу, содержащуюся в митохондриях и цитоплазме клеток. Таким образом, в организме человека креатинкиназа есть в виде трёх изомеров: ММ, МВ, ВВ. ММ-изомер содержится в скелетной мускулатуре и миокарде, МВ – в основном в миокарде, ВВ – в тканях головного мозга, в небольшом количестве в любых клетках организма [5].
Запас креатинфосфата в мышцах необходим для восстановления АТФ при сокращениях саркомера. Это осуществялется посредством следующей реакции:
АДФ + креатинфосфат = АТФ + креатин[7]
Креатинфосфата в мышце содержится значительно больше (около 30 ммоль/л), чем АТФ. При интенсивной или длительной работе запасы креатинфосфата быстро истощаются, и в этих условиях ресинтез АТФ может осуществляться только за счет реакций гликолиза и тканевого дыхания. В период покоя в мышцах идет накопление креатинфосфата в результае реакции перефосфорилирования между АТФ и креатином
АТФ + креатин →креатинфосфат + АДФ [4].
Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что белковый состав саркомера на сегодняшний день изучен достаточно полно, выяснена структура и функция ферментов, участвующих в сокращении мышечного волокна. Однако стоит отметить, что теории, полностью объясняющей механизм сокращения и энергетическое обеспечение этого процесса, до сих пор не существует, но этот вопрос активно изучается в современном мире.
Библиографический список
- Антонов В. Ф., Черныш А.М. и др. Биофизика. – М: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2008. -208с.;
- Дружевская А.М., Ахметов И.И., Рогозкин В.А. Участие Akt в регуляции метаболизма скелетных мышц.//Российский физиологический журнал им И.М. Сеченова -2013,№4-с.518-526;
- Ahram DF, Grozdanic SD, Kecova H. Variants in Nebulin (NEB) Are Linked to the Development of Familial Primary Angle Closure Glaucoma in Basset Hounds.: Department of Ophthalmology and Visual Sciences, The University of Iowa, Iowa City, IA, United States of America. - 2015 May;
- Caldwell TA, Sumner I, Wright N.T. Mechanical dissociation of the M-band titin/obscurin complex is directionally dependent.: Department of Chemistry and Biochemistry, James Madison University, 901 Carrier Dr., Harrisonburg, VA 22807, United States.- 2015 May;
- de Winter JM1, Joureau B, Sequeira V. Effect of levosimendan on the contractility of muscle fibers from nemaline myopathy patients with mutations in the nebulin gene.: Department of Physiology, Institute for Cardiovascular Research, VU University Medical Center Amsterdam, De Boelelaan 1118, 1081, BT Amsterdam, The Netherlands.- 2015 Apr;
- Gallego M, Mora L, Aristoy MC, Toldrá F. Evidence of peptide oxidation from major myofibrillar proteins in dry-cured ham.: Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos (CSIC), Avenue Agustín Escardino 7, 46980 Paterna (Valencia), Spain. -2015 Apr;
- Schappacher-Tilp G, Leonard T, Desch G, Herzog W. A novel three-filament model of force generation in eccentric contraction of skeletal muscles.: Department of Mathematics and Scientific Computing, University of Graz, 8010 Graz, Austria.- 2015 Mar.
Количество просмотров публикации: Please wait