Роль градиента одновалентных ионов и ионов кальция в регуляции мышечного сокращения

Регуляция сокращения и расслабления мышц. Сокращение любых мышц происходит по общему механизму, описанному ранее. Мышечные волокна разных органов могут обладать различными молекулярными механизмами регуляции сокращения и расслабления, однако всегда ключевая регулятор-ная роль принадлежит ионам Са²⁺. Установлено, что миофибриллы обла­дают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться в его при­сутствии лишь при наличии в среде определенных концентраций ионов кальция. Наибольшая сократительная активность наблюдается при кон­центрации ионов Са²⁺ около 10^–6–10^–5 М. При понижении концентрации до 10^–7 М или ниже мышечные волокна теряют способность к укорочению и развитию напряжения в присутствии АТФ.

По современным представлениям, в покоящейся мышце (в миофибриллах и межфибриллярном пространстве) концентрация ионов Са²⁺ поддер­живается ниже пороговой величины в результате связывания их структу­рами (трубочками и пузырьками) саркоплазматической сети и так назы­ваемой Т-системой при участии особого Са²⁺-связывающего белка, по­лучившего название кальсеквестрина, входящего в состав этих структур.

Связывание ионов Са²⁺ разветвленной сетью трубочек и цистерн сарко-плазматической сети не является простой адсорбцией. Это активный фи­зиологический процесс, который осуществляется за счет энергии, осво­бождающейся при расщеплении АТФ Са²⁺-зависимой АТФазой саркоплазматической сети. При этом наблюдается весьма своеобразная карти­на: скорость выкачивания ионов Са²⁺ из межфибриллярного пространства стимулируется этими же ионами. В целом такой механизм получил назва­ние «кальциевая помпа» по аналогии с хорошо известным в физиологии натриевым насосом.

Возможность пребывания живой мышцы в расслабленном состоянии при наличии в ней достаточно высокой концентрации АТФ объясняется снижением в результате действия кальциевой помпы концентрации ионов Са²⁺ в среде, окружающей миофибриллы, ниже того предела, при котором еще возможны проявление АТФазной активности и сократимость акто-миозиновых структур волокна. Быстрое сокращение мышечного волокна при его раздражении от нерва (или электрическим током) является резуль­татом внезапного изменения проницаемости мембран и как следствие выхода из цистерн и трубочек саркоплазматической сети и Т-системы некоторого количества ионов Са²⁺ в саркоплазму.

Как отмечалось, «чувствительность» актомиозиновой системы к ионам Са²⁺ (т.е. потеря актомиозином способности расщеплять АТФ и сокра­щаться в присутствии АТФ при снижении концентрации ионов Са²⁺ до 10^–7 М) обусловлена присутствием в контрактильной системе (на нитях F-акти-на) белка тропонина, связанного с тропомиозином. В тропонин-тропомиозиновом комплексе ионы Са²⁺ связываются именно с тропонином. В мо­лекуле тропонина при этом происходят конформационные изменения, которые, по-видимому, приводят к сдвигу всего тропонин-тропомиозинового стержня и деблокировке активных центров актина, способных взаимодействовать с миозином с образованием сократительного комплекса и активной Mg²⁺-АТФазы.

В продвижении актиновых нитей вдоль миозиновых, по данным Э. Хакс­ли, важную роль играют временно замыкающиеся между нитями попе­речные мостики, которые являются «головками» миозиновых молекул. Итак, чем большее число мостиков прикреплено в данный момент к актиновым нитям, тем больше сила мышечного сокращения.

Наконец, если возбуждение прекращается, содержание ионов Са²⁺ в саркоплазме снижается (кальциевая помпа), то циклы прикрепление–ос­вобождение прекращаются, т.е. «головки» миозиновых нитей перестают прикрепляться к актиновым нитям. В присутствии АТФ мышца расслабля­ется и ее длина достигает исходной. Если прекращается поступление АТФ (аноксия, отравление дыхательными ядами или смерть), то мышца пе­реходит в состояние окоченения. Почти все поперечные мостики толстых (миозиновых) нитей присоединены при этом к тонким актиновым нитям, следствием чего и является полная неподвижность мышцы.