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.

После воздействия потенциала действия происходит открытие потенциал-зависимых кальциевых каналов в мембране пресинаптического окончания, куда поступает кальций, который активирует белки, отвечающие за слияние пузырьков с медиатором. Пузырьки после объединения  с кальцием диффундируют к пресинаптической мембране и сливаются с ней. Далее ацетилхолин диффундирует к постсинаптической мембране и взаимодействует с рецепторами натриевых каналов постсинаптической мембраны. Натрий поступает внутрь мышечной клетки, вызывает деполяризацию концевой пластинки, открываются потенциал-зависимые натриевые каналы. Натрий поступает в клетку, возникает потенциал действия. После этого медиатор инактивируется – либо разрушается холинэстеразой, либо диффундирует за пределы синапса, так же возможен захват в обратную сторону [5].

Повышенная концентрация кальция вызывает судороги – увеличена частота и сила сокращения. Однако недостаток кальция приводит к нарушению или невозможности сокращения вообще. Поэтому количество кальция в саркомере и его своевременное выведение, что необходимо для расслабления мышцы, строго регулируется.

Существует ряд веществ, обладающим высоким сродством к холинорецептору и образующие с ним наиболее прочную связь, чем ацетилхолин, такими веществами являются, прежде всего, яды.

Например, кураре – яд, миорелаксант.  После его воздействия холинорецептор оказывается заблокированным и ни нервный импульс, ни искусственно введенный ацетилхолин не способны вызвать возбуждение и сокращение мышечного волокна. Однако яд и его производные были использованы клинически для уменьшения мышечного тремора и в качестве анестезирующего вспомогательного средства в абдоминальной хирургии. Также кураре широко используется в экспериментах на животных, для блокирования активности нервно-мышечного соединения. Эффективные дозы кураре уменьшают частоту и амплитуду сокращения мышц, не влияя на функции мозга, но при более высоких дозах возможен летальный исход. Исследования на мышах показали, что самки наиболее чувствительны к действию яда по сравнению с самцами. Соответственно, при введении кураре и его производных в терапевтических целях необходимо учитывать гендерные различия.

Змеиные яды оказывают различное воздействие на организм (в зависимости от состава), в частности существуют соединения, блокирующие нервно-мышечную передачу. Яд индийской кобры относится к ядам нейротропного действия. Действующий компонент соединения вызывает необратимую блокаду н-холинорецепторов скелетных мышц. Он вызывает мышечную слабость, что проявляется клинически следующими симптомами: нарушением дыхания, аритмиями, выраженной слабостью, потерей сознания, паралич горла, затруднение глотания, слабость сфинктеров. Также возможно проникновение яда в молоко у кормящих женщин.  Кротамин – вещество, входящее в состав змеиного яда, в малых дозах вызывает стойкое судорожное, а в больших— выраженное кратковременное сокращение мышц, сменяющееся их обратимым параличом и кратковременным потенцированным максимальным сокращением. Механизм действия кротамина объясняется изменением проницаемости клеточной мембраны для ионов кальция и натрия, а мышечное сокращение — выходом из клеток ионов калия, что ведет к развитию паралича [2].

Ряд веществ блокирует высвобождение ацетилхолина из нервных окончаний. Например, ботулинический токсин – бактериальный эндотоксин, который действует по принципу ферментного яда. Ботулотоксин обладает свойствами фермента, расщепляющего белок (группа белков, называемых SNARE), без которого невозможно связывание и слияние ацетилхолинсодержащих синаптических везикул с   плазматической мембраной нервного окончания [5].

Ботулотоксин попадает в клетку через рецептор на ее поверхности (основная роль в осуществлении процесса принадлежит тяжелой цепи) [3]. При проникновении токсина в ткани-мишени тяжелая цепь селективно связывается с белком везикул. После взаимодействия вещества с определенным рецептором в клетке весь нейротоксин встраивается в нервную терминаль через эндоцитоз синаптической везикулы. Затем легкая цепь связывается со SNARE-субстратом и протеолитически расщепляет его, полностью нарушая функции. В результате происходит блокировка нейроэкзоцитоза ацетилхолина из синаптических везикул.

При введении ботулинического токсина развиваются временные, дозозависимые, чаще всего, ограниченные местом введения эффекты. Применяется в медицине для миорелаксации, снижения функции экзокринных желез, косметической коррекции.

Также существует блокировка нервно-мышечной передачи путем ингибирования фермента ацетилхолинэстеразы. Таким действием обладают некоторые органические фосфаты, пестициды, нейропаралитические газы. В присутствии этих веществ ацетилхолин нормальным образом высвобождается из нервных окончаний в ответ на потенциал действия и связывается с рецепторами концевой пластинки. Однако из-за угнетения ацетилхолинэстеразы он не разрушается и ионные каналы концевой пластинки постоянно остаются открытыми, что приводит к стойкой деполяризации концевой пластинки и смежной области мышечной мембраны. В результате деполяризации последующие нервные импульсы не могут вызвать сокращение, наступает мышечный паралич и смерть.

Резюмируя выше сказанное, стоит отметить, что многие вещества, существующие в природе как яды или токсины, вызывающие нарушение или блокировку нервно-мышечной передачи очень опасны для человека. Однако их можно эффективно использовать при правильном режиме дозирования для лечения множества заболеваний, что активно практикуется в современном мире.