Cтроение и функции нейрона
Содержание
Строение и функции нейрона
Возбудимые клетки реагируют на раздражители путем изменения состояния мембран. Существуют два типа возбудимых клеток: нервные клетки, которые проводят и преобразуют импульсы в нервной системе, и мышечные клетки, которые сокращаются либо в ответ на нервные импульсы, либо автономно.
Нервная система человека состоит из более чем 1010 нервных клеток, или нейронов. Нейрон - это структурная и функциональная единица нервной системы. Типичный нейрон (мотонейрон, А1) состоит из сомы, или тела клетки, и двух типов отростков -аксона и дендритов. Кроме обычных клеточных органелл, таких как ядро и митохондрии (А2), в нейроне есть нейрофибриллы и нейротрубочки. Нейрон получает афферентные сигналы (возбуждающие и тормозящие) от нескольких, а иногда и от нескольких тысяч соседних нейронов через дендриты (обычно древовидные], и сигналы суммируются вдоль тела нейрона на клеточной мембране (суммация). Аксон начинается от аксонного холмика тела нейрона: он осуществляет передачу эфферентных нервных сигналов к ближайшим либо отдаленным эффекторам (мышечным и секреторным клеткам] и близлежащим нейронам. Аксоны часто имеют ответвления (коллатерали), которые ветвятся далее и заканчиваются вздутиями - синаптическими пузырьками или синаптическими окончаниями. Если суммарный потенциал у аксонного холмика превышает некоторый порог, генерируется потенциал действия, который передается по аксону вниз, где достигает следующего синапса через синаптическое окончание (А1, 3), описанное ниже.
Везикулы, содержащие различные вещества (белки, липиды, сахара и молекулы медиаторов), транспортируются от комплекса Гольджи в соме к синаптическому окончанию и к кончикам дендритов путем быстрого аксонного транспорта (40 см/сутки). Этот вид антероградного (направленного вперед) транспорта по ходу нейротрубочек осуществляется кинезином (миозино-подобным белком), а энергия, необходимая для этого, поставляется АТФ. Эндогенные и экзогенные вещества, такие как фактор роста нервов (ФРН, или NRF), вирус герпеса, вирус полиомиелита и столбнячный токсин, проводятся ретроградным (направленным назад) транспортом от периферических участков к соме со скоростью ~ 25 см/сутки. Медленный аксонный транспорт (~ 1 мм/сутки) играет важную роль при лечении тяжелых невритов.
Плазматическая мембрана сомы продолжается вдоль аксона и называется аксолеммой (А1, 2).
В центральной нервной системе (ЦНС) аксолемма окружена олигодендроцитами, а в периферической - шванновскими клетками (А1, 2). Нервное волокно состоит из аксона и его оболочки. В некоторых нейронах шванновские клетки образуют вокруг аксона многослойную миелиновую оболочку из двойных фосфолипидных слоев (А1, 2), которая изолирует аксон от ионных токов. Миелиновая оболочка прерывается примерно каждые 1,5 мм у перехватов Ранвье (А1). Проводимость миелинизированных нервных волокон гораздо выше, чем немиелинизированных, и увеличивается вместе с диаметром нервного волокна.
Синапс (А3) — это участок, где аксон нейрона взаимодействует с эффекторами или другими нейронами. Синаптическая передача почти у всех млекопитающих осуществляется с помощью химических соединений, а не с помощью электрических сигналов. В ответ на электрический сигнал в аксоне из везикул на пресинаптической мембране происходит высвобождение нейромедиаторов путем экзоцитоза. Медиатор диффундирует через синаптическую щель (10-40 нм) к постсинаптической мембране, где он соединяется с рецепторами, создающими новые электрические сигналы (АЗ). В зависимости от типа участвующих в процессе нейромедиатора и рецептора нейромедиатор оказывает на постсинаптическую мембрану или возбуждающий (например, ацетилхолин в скелетной мышце), или тормозящий эффект (например, глицин в ЦНС). Поскольку постсинаптическая мембрана в норме не высвобождает нейромедиаторы (существует всего несколько исключений), нервные импульсы могут пройти через синапс только в одном направлении. Таким образом, синапс действует как клапан, который обеспечивает упорядоченную передачу сигнала. Синапсы являются также участками, в которых передача нервного импульса может быть преобразована другими (возбуждающими или тормозными) нейронами.
Потенциал покоя
Разность электрических потенциалов на клеточной мембране, т. е. мембранный потенциал (ЕД живой клетки можно измерить. Потенциал нервной или мышечной клетки в отсутствие стимуляции, т. е. потенциал покоя, составляет от -50 до -100 мВ [внутренняя поверхность клетки заряжена отрицательно). Потенциал покоя вызывается несбалансированным распределением ионов между внутриклеточной и внеклеточной средой (Б). При измерении мембранного потенциала надо учитывать несколько факторов.
- Клетка поддерживает неравномерное распределение ионов: Na+-К+-АТФаза постоянно «откачивает» Na+ из клетки и «закачивает» в нее К+ (Д2). В результате внутриклеточная концентрация К+ примерно в 35 раз выше по сравнению с внеклеточной, а внутриклеточная концентрация Na+ примерно в 20 раз ниже, чем внеклеточная (Б). Как и любой активный транспорт, этот процесс требует энергии, которую поставляет АТФ. Недостаток энергии или ингибирование Nа+-К+-АТФазы приводят к выравниванию ионного градиента и нарушению мембранного потенциала.
Поскольку анионные белки и фосфаты, присутствующие в цитоплазме в высокой концентрации, покинуть клетку не могут, вклад чисто пассивных механизмов (распределение Гиббса-Доннана) в неравномерное распределение диффундирующих ионов может быть лишь незначительным (А1). По причине электронейтральности любой биосистемы [Na+ + К+]внутр > [Na+ + К+]внешн и [Сl]внутр. <[Cl]внешн. Однако это практически не влияет на формирование потенциала покоя.
- Низкая проводимость мембраны клетки в покое для Na+ (gNa+) и Са2+ (gСа2+). Мембрана клетки в покое слабо проницаема для Na+ и Са2+ и <gNа+ составляет только малый процент от общей проводимости. Следовательно, разница в концентрации Na+ (АЗ-А5) не может быть устранена путем пассивной диффузии Na+ обратно в клетку.
- Высокая проводимость К+ (gK+). Ионам К+ сравнительно легко диффундировать через клеточную мембрану (gK « 90% от общей проводимости). По причине высокого градиента концентрации ионы К+ диффундируют из внутриклеточной среды во внеклеточную (АЗ). Из-за их положительного заряда диффузия даже малого количества ионов К+ ведет к возникновению электрического потенциала (диффузионного потенциала) на мембране. Диффузионный потенциал (отрицательный заряд на внутренней стороне мембраны) обусловливает ионный транспорт К+ назад в клетку; диффузионный потенциал возрастает до тех пор, пока почти полностью не компенсирует градиент концентрации К+, обусловливающий выход ионов К+ из клетки (А4). В результате мембранный потенциал (Em) оказывается почти равным равновесному электрохимическому потенциалу К+, Ek.
- Распределение ионов Сl-. Поскольку клеточная мембрана также проницаема для ионов Сl- (E- в мышечных клетках больше, чем в нервных), мембранный потенциал (электрическая «движущая сила») выводит ионы Сl- из клетки (А4), в то время как градиент концентрации ионов Сl- (химическая «движущая сила») возвращает их назад в клетку с той же скоростью. Внутриклеточная концентрация [Сl]внутр продолжает расти до тех пор, пока равновесный потенциал Сl- не окажется равным Em (А5). [Сl-]внутр. можно рассчитать, используя уравнение Нернста. Такое «пассивное» распределение CI-между внутриклеточной и внеклеточной средой существует только в отсутствие активного поглощения Cl клеткой.
- Почему величина Еm менее отрицательна, чем Ek? Хотя проводимость для Na+ и Са2+ в покоящейся клетке довольно низкая, некоторое количество ионов Na+ и Са2+ все время входит в клетку (А4, 5). Это происходит потому, что равновесные потенциалы обоих ионов имеют высокие положительные значения, благодаря чему процессом управляют высокие значения электрической и химической «движущей силы», направленной для этих ионов извне вовнутрь (Б). Этот катионный ток внутрь клетки деполяризует мембрану, выводя ионы К+ из клетки (1К+ на каждый входящий в клетку положительный заряд). Если бы Na+-К+-АТФаза не восстанавливала постоянно эти градиенты (градиент Са2+ косвенно: 3Na+/Ca2+;), внутриклеточная концентрация Na+ и Са2+ непрерывно возрастала бы, а [К+]внутр уменьшалась, при этом величины Еm и Ek< становились бы менее отрицательными.
Все живые клетки имеют на мембране потенциал покоя, но только возбудимые (нервные и мышечные) способны значительно изменять проводимость ионов через мембрану в ответ на стимулы, такие как потенциал действия.
Потенциал действия
Потенциал действия - это сигнал, проходящий через аксон или через мышечное волокно и влияющий на другие нейроны или приводящий к мышечному сокращению. Возбуждение нейрона происходит, если мембранный потенциал Еm на аксонном холмике мотонейрона или на двигательной концевой пластинке мышечного волокна возрастает от потенциала покоя к менее отрицательным значениям (медленная деполяризация, А1). Эту деполяризацию может вызывать открывание постсинаптических катионных каналов, индуцированное медиаторами или электрический стимул из окружающей среды. Если Еm стимулируемой клетки приближается к критическому, или пороговому, потенциалу (А1), активируются «быстрые» потенциалзависимые Na+-каналы (Б4 и Б1). Это приводит к увеличению проводимости Na+, gNа+, и входу Na+ в клетку (А2). Если пороговый потенциал не достигается, ответ остается локальным (подпороговым).
Как только достигается пороговый потенциал, клетка отвечает быстрой деполяризацией по принципу «все или ничего»; это явление и носит название потенциала действия, ПД (А1). Потенциал действия формируется специфическим для данного типа клеток образом, независимо от величины стимула, который его индуцировал. Активируется большое количество Na+-каналов, и входящие токи Na+ ускоряют деполяризацию, которая, в свою очередь, увеличивает gNа+ и т. д. (положительная обратная связь). В результате Ет быстро ослабевает (в течение 0,1 мс в нервной клетке; быстрая фаза деполяризации) и временно достигает положительных значений (овершут, от +20 до +30 мВ). До наступления овершута gNа+ снижается (А2), так как за 0,1 мс инактивируются Na+-каналы (Б1 => БЗ). Потенциал обращается, и начинается восстановление потенциала покоя; это фаза реполяризации потенциала действия. Деполяризация увеличивает, хотя и сравнительно медленно, вероятность открывания потенциалзависимых К+-каналов. Это увеличивает проводимость для калия (gK+), что ускоряет наступление реполяризации.
Во многих случаях gK+ остается повышенной даже после восстановления исходного потенциала покоя (А2) и Ет временно приближается по значению к Eк, приводя к гиперполяризующему потенциалу последействия (следовому потенциалу) (А1). Электрически индуцированное увеличение активности Na+-К+-АТФазы может вносить вклад в развитие следового потенциала.
Возможна генерация очень длительной последовательности потенциалов действия (в некоторых
нервных клетках с частотой до 1000 с-1), поскольку количество ионов, проникающих сквозь мембрану, очень мало (примерно 1/100 000 всех внутриклеточных ионов). Более того, Na+-К+-АТФаза обеспечивает непрерывное восстановление начальной ионной концентрации.
Во время потенциала действия клетка остается нечувствительной к дальнейшей стимуляции; наступает период рефрактерности. Во время периода абсолютной рефрактерности не может быть индуцирован новый потенциал действия даже при наличии очень сильного стимула, поскольку Na+-каналы не могут быть активированы в деполяризованной мембране (БЗ). За периодом абсолютной рефрактерности следует период относительной рефрактерности, в течение которого даже при наличии сильного стимула может быть генерирован лишь потенциал действия малой амплитуды и скорости. Рефрактерный период заканчивается, когда значение мембранного потенциала возвращается к потенциалу покоя.
Степень активации Na+-каналов и, таким образом, сила Na+-TOKOB, INа+, зависит от потенциала покоя, предшествующего возбуждению, а не от продолжительности деполяризации. Активация Na-каналов достигает максимума при потенциале покоя —100 мВ, а при 60 мВ активность Na+-каналов составляет лишь 40% от максимальной. У млекопитающих Na+-каналы не могут быть активированы при потенциале покоя <50 мВ (БЗ). Период рефрактерности (абсолютной и относительной) (см. выше), т. е. отсутствие возбудимости клеток, наблюдается после введения деполяризующих веществ, таких как суксаметоний.
Повышенная внеклеточная концентрация Са2+ усложняет стимуляцию клетки, так как пороговый потенциал становится менее отрицательным. С другой стороны, возбудимость увеличивается (с понижением порогового потенциала) при гипокальциемических состояниях, например во время мышечного спазма при тетании
Распространение потенциала действия по нервному волокну
При приложении напряжения по электрическому проводу течет электрический ток. Внутри провода находится металлическая проволока, она хорошо изолирована и имеет низкое сопротивление, сводя потерю тока к минимуму. В результате передача тока может осуществляться на большие расстояния. Нервные волокна, особенно немиелинизированные, имеют значительное внутреннее сопротивление (Bвнутр.) и не очень хорошо изолированы от окружения. Таким образом, передача нервных импульсов напоминает электрический ток, текущий по проводу, но процесс очень быстро истощается. Передаваемые импульсы требуют постоянного «обновления» с помощью генерации новых потенциалов действия.
Распространение потенциала действия (ПД). Начало потенциала действия сопровождается кратким притоком Na+ в нервное волокно (А1а). Клеточная мембрана, которая ранее была изнутри заряжена отрицательно, теперь становится положительно заряженной (от +20 до +30 мВ), таким образом создавая продольную разность потенциалов на близлежащих, еще не испытавших стимула отрезков нерва (отрицательных изнутри, от -70 до -90 мВ). За этим следует пассивное перемещение заряда из близлежащего отрезка нервного волокна, вызывающее его деполяризацию. Если деполяризация превышает пороговый уровень, создается потенциал действия в близлежащем отрезке нерва, а потенциал действия на предыдущем участке исчезает (А1б).
Поскольку мембрана действует как конденсатор, перемещение заряда представляет собой деполяризующий ток, который становится меньше и растет менее круто с увеличением расстояния. По причине сравнительно высокого сопротивления Rвнутр нервного волокна обратные токи пересекают мембрану сравнительно близко к участку возбуждения, и ток вдоль волокна с расстоянием уменьшается. В то же время деполяризация увеличивает движущую силу (Em- Ek) для выхода К+. Покидающий клетку К+, таким образом, ускоряет реполяризацию. Отсюда следует, что распространение потенциала действия ограничено расстоянием, где аккумулированных токов хватает для достаточно сильной и быстрой деполяризации мембраны. Иначе Na+-каналы будут дезактивированы до достижения порогового потенциала.
Потенциалы действия обычно направлены вперед (ортодромны), поскольку каждый отрезок нервного волокна становится рефрактерным после прохождения потенциала действия (А1б). Однако если импульсы проводятся в противоположном направлении (антидромны), например, стимуляции нервного волокна из внешнего источника, они закончатся у следующего синапса (волнообразный импульс).
Несмотря на то что постоянная генерация потенциала действия в прилегающем отрезке нервного волокна гарантирует обновление сигнала, этот процесс требует времени (Б1). Скорость проведения сигнала в немиелинизированных нервных волокнах (тип С) (В) составляет только 1 м/с. Миелинизированные нервные волокна (типы А и В; В) проводят сигнал гораздо быстрее (до 80 м/с у человека). В участках между перехватами миелиновая оболочка изолирует нервное волокно от окружающей среды и, таким образом, продольные токи здесь достаточно сильные, чтобы генерировать потенциалы действия, способные распространяться далее вниз по аксону (примерно на 1,5 мм) (А2). Это приводит к более эффективной проводимости, так как потенциалы действия генерируются только у немиелинизированных перехватов Ранвье, где имеется высокая плотность Nа+-каналов. В результате потенциал действия быстро и скачкообразно распространяется от перехвата к перехвату (сальтаторное распространение). Сальтаторное расстояние ограничено, так как продольные токи (от 1 до 2 нА) становятся слабее с увеличением дистанции (Б2). Перед тем как они падают ниже порогового уровня, сигнал должен быть обновлен новым потенциалом действия с потерей во времени в 0,1 мс.
Поскольку внутреннее сопротивление нервного волокна Rвнутр ограничивает распространение деполяризации; как описано выше, диаметр аксона (2г) также влияет на скорость проведения сигнала, 0 (В). Сопротивление нервного волокна Rвнутр пропорционально площади его поперечного сечения (лr), т. е. Rвнутр. ~ 1 /r2. Тонкие волокна, таким образом, требуют на единицу длины меньше новых потенциалов действия, что увеличивает скорость проведения сигнала 0. Возрастание диаметра волокна сопровождается увеличением обхвата волокна (2лr) и мембранной емкости К (мембранная емкость К пропорциональна r). Несмотря на то что скорость проведения сигнала 0 уменьшается, влияние меньшего Rвнутр преобладает по причине квадратичной зависимости от r.
Искусственная стимуляция нервной клетки
Когда электрический импульс из внешнего источника приложен к нервной клетке, ток течет от положительно заряженного электрода (анода) и выходит на отрицательно заряженный электрод [катод). Нервное волокно ниже катода деполяризуется, и при условии, что достигнут пороговый потенциал, генерируется потенциал действия.
Скорость проведения импульса по нерву можно измерить, поместив два электрода на кожу по ходу нерва на известном расстоянии друг от друга, с последующей стимуляцией этого нерва (содержащего многочисленные нейроны) и регистрацией времени, которое потребовалось суммарному потенциалу действия для прохождения расстояния между электродами. Скорость проведения сигнала у человека обычно составляет от 40 до 70 м/с. Значения ниже 40 м/с считаются патологическими.
- Случайное воздействие электричества. Высокое напряжение, особенно низкочастотный переменный ток (например, при контакте с электрической розеткой), а также в условиях сниженного сопротивления (босые ноги, несчастный случай в ванной), воздействует в основном на проведение сигналов в сердце, что может вызвать фибрилляцию желудочков.
Постоянный ток обычно действует как стимул только при включении и выключении: высокочастотный переменный ток (> 15 кГц), напротив, не способен вызвать деполяризацию, но повреждает ткани организма. На этом принципе основана диатермия.
Синаптическая передача
Синапсы соединяют нервные клетки друг с другом (этот же принцип встречается в некоторых мышечных клетках), а также с чувствительными и эффекторными клетками (мышечными и секреторными).
Электрические синапсы - это прямые ионпроводящие соединения клеток посредством каналов (коннексонов) в области так называемых щелевых контактов. Они отвечают за проведение импульсов между соседними гладкими или сердечными мышечными волокнами (а кое-где и между нейронами - в сетчатке глаза и в ЦНС), а также обеспечивают коммуникационные функции между соседними эпителиальными или глиальными клетками.
В химических синапсах для передачи информации используются нейромедиаторы (нейротрансмиттеры). Они не только обеспечивают связь в нервной системе, но также служат переключательными элементами. Они могут ускорять или тормозить передачу информации нейроном или передавать ее вместе с другим входящим сигналом.
В химическом синапсе потенциал действия (A1,2) запускает высвобождение медиаторов из пресинаптических терминалей аксона. Затем медиатор диффундирует через узкую синаптическую щель (~ 30 нм), чтобы связаться с рецепторами на пресинаптической мембране нейрона, мышечной или секреторной клетки. В зависимости от типа рецептора и медиатора эффект на постсинаптическую мембрану может быть возбуждающим или тормозным, как описано ниже.
Медиаторы высвобождаются путем регулируемого экзоцитоза так называемых синаптических пузырьков (Д1). Каждый пузырек содержит некоторое количество («квант») нейромедиатора. В случае двигательной концевой пластинки высвобождается около 7000 молекул ацетилхолина (АХ). Некоторое количество пузырьков, готовых к высвобождению содержимого, скапливается у мембраны [в активной зоне). Поступающий потенциал действия служит сигналом для высвобождения нейромедиатора (А1, 2). Чем выше частота потенциала действия в аксоне, тем больше пузырьков высвобождают свое содержимое. Потенциал действия повышает (иногда колебательным образом) вероятность открывания потенциалзависимых Са2+-каналов в пресинаптической мембране, приводя к увеличению концентрации Са2+ в цитоплазме, [Са2+]внугр (А1,3 и с. 42). Внеклеточный Мд2+ ингибирует этот процесс. Са2+ связывается с синаптотагмином (А1), который запускает взаимодействие синтаксина и SNAP-25 на пресинаптической мембране с синапто-бревином на мембране пузырьков, таким образом запуская зкзоцитоз уже заякоренных пузырьков (примерно 100 на один потенциал действия) (А1, 4). С другой стороны, Са2+ активирует кальцийкальмодулинзависимую протеинкиназу II (СаМ-киназа-II А5 ), которая активирует фермент синапсин в пресинаптическом окончании. В результате пузырек заново закрепляется в активной зоне.
Синаптическая потенциация (облегчение). Если потенциал действия должен достигнуть пресинаптического окончания сразу же после другого потенциала действия (частота потенциала действия более 30 Гц), концентрация Са2+ в цитоплазме еще не успевает снизиться до значения при потенциале покоя, и остаточный Са2+ накапливается. В результате каждое последующее повышение [Са2+]внутр «наслаивается» на предыдущее. После второго стимула [Са2+]внутр. возрастает до более высокого уровня по сравнению с первым - высвобождается больше медиаторов. Следовательно, первый стимул облегчает ответ на второй. По тем же причинам мышечная сила возрастает при высокой частоте стимулов.
Среди многих агентов, действующих как возбуждающие медиаторы, наиболее распространенными являются ацетилхолин (АХ) и глутамат (Glu). Они часто высвобождаются вместе с комедиаторами, которые модулируют проведение стимула (например, АХ вместе с веществом Р, ВИП (вазоактивный интестинальный пептид) или галанином; Glu вместе с веществом Р или энкефалином). Если рецептором медиатора является ионный канал (ионотропный рецептор или лигандзависимый ионный канал, А6 и Е), например, в случае N-холинергического синапса, каналы открываются чаще и позволяют большему количеству катионов входить в клетку (Na+, иногда Са2+) и покидать ее (К+). Другие, так называемые метаботропные рецепторы воздействуют на канал через G-белки, которые контролируют каналы или непосредственно, или посредством «вторичных мессенджеров» (А7 и Е). По причине высокого электрохимического градиента Na+ количество входящих ионов Na+ гораздо больше, чем выходящих ионов К+. Са2+ может также входить в клетку через глутаматный NMDA-рецептор (Е). Суммарный приток катионов ведет к деполяризации: возбуждающему постсинаптическому потенциалу (ВПСП) (максимальный ВПСП —20 мВ; Б). ВПСП начинается примерно через 0,5 мс после того, как потенциал действия достигает пресинаптического окончания. Это синаптическое торможение (латентность) вызвано сравнительно медленным высвобождением и медленной диффузией медиатора.
Единственный ВПСП обычно не может генерировать постсинаптический (аксонный) потенциал действия (ПДд), но вызывает множественные локальные деполяризации в дендритах. Волны деполяризации проходят через сому и суммируются на аксонном холмике (пространственная суммация; Б). Несмотря на то что индивидуальные стимулы возникают в разное время (с интервалом приблизительно в 50 мс), предыдущая деполяризация не успевает исчезнуть к моменту наступления следующей, а суммация облегчает достижение порогового уровня. Таким образом, временная суммация увеличивает возбудимость постсинаптического нейрона (В).
К тормозным медиаторам относятся такие вещества, как глицин, ГАМК (у-аминомасляная кислота) и ацетилхолин (в М2- и МЗ-рецепторах). Они увеличивают проводимость постсинаптической мембраны только для К+ (например, метаботропный ГАМКд-рецептор) или Сl- (например, ионотропные глициновый и ГАМКд-рецепторы; Е). Мембрана в результате обычно становится гиперполяризованной (максимум —4 мВ). Увеличение gк происходит, когда Ет достигает Ek<. Однако основной эффект тормозного постсинаптического потенциала ТПСП (Г) вовсе не гиперполяризация, противоположная деполяризации при ВПСП (ТПСП тоже иногда имеет легкий деполяризующий эффект). Вместо этого связанное с ТПСП увеличение мембранной проводимости замыкает электрическую цепь при ВПСП (высокая проводимость gK+ или gCl). Поскольку и Ek, и ECl близки к потенциалу покоя, происходит стабилизация, т. е. ВПСП отменяется из-за короткого замыкания, обусловленного высокими токами К+ и Cl. В результате связанная с ВПСП деполяризация уменьшается, и стимуляция постсинаптического нейрона ингибируется (Г).
Окончание синаптической передачи (Д) может произойти вследствие инактивации катионных каналов из-за изменения конформации канала, как это происходит во время потенциала действия. Этот очень быстрый процесс называется десенсибилизацией и может также происходить в присутствии медиатора. Другие пути окончания синаптической передачи включают быстрое ферментивное расщепление медиатора (например, ацетилхолина) непосредственно в синаптической щели; повторное поглощение медиатора (например, норадреналина, или норэпинефрина) в пресинаптическом окончании; или его поглощение клетками (отличными от нейронов, например в глиальных клетках ЦНС); а также интернализацию медиатора рецептором и связывание его на пресинаптической мембране (ауторецептором). В последнем случае может произойти увеличение gK+ и уменьшение gCa+, что будет ингибировать высвобождение медиатора, например ГАМК посредством ГАМКв-рецепторов или норадреналина посредством а2-адренорецепторов (Е ).
Двигательная концевая пластинка
Передача стимула от аксона на скелетное мышечное волокно происходит на двигательной концевой пластинке (A), которая представляет собой вид химического синапса. Медиатором, участвующим в данном процессе, является ацетилхолин (АХ), связывающийся с N (никотинергическим) холинорецептором мембраны постсинаптической мышечной клетки (АЗ). N-холинорецепторы ионотропны - они функционируют, как ионные каналы (А4). N-Холинорецептор двигательной концевой пластинки (тип N|vi) состоит из 5 субъединиц (2а, 1 р, 1у, 16), каждая из которых содержит 4 пересекающих мембрану а-спирали.
Канал ненадолго открывается (Б1) (примерно на 1 мс) после связывания молекулы АХ с двумя субъединицами N-холинорецептора (А4). В отличие от зависимых от потенциала Na+-каналов, вероятность открывания (рo) N-холинорецептора не увеличивается при деполяризации, а зависит от концентрации ацетилхолина в синаптической щели.
Канал специфичен для катионов, таких как Na+,К+ и Са2+. Открывание канала при потенциале покоя (примерно -90 мВ) ведет в основном к притоку в клетку ионов Na+ (и гораздо более низкому опоку К+). Таким образом, происходит деполяризация постсинаптической мембраны: потенциал концевой пластинки (ПКП). Когда происходит спонтанный экзоцитоз и пузырек высвобождает «квант» ацетилхолина, способный активировать тысячи N-холинорецепторов, токи через одиночные каналы 2,7 пА) (Б1) суммируются и дают миниатюрный ток концевой пластинки величиной в несколько нА (Б2). И все же этого недостаточно для развития постсинаптического потенциала действия, если только потенциал действия, проводимый мотонейроном, не индуцирует экзоцитоз примерно 100 пузырьков. В то же самое время открываются 200 000 каналов, что индуцирует нейрогенный ток концевой пластинки (/кп) =400 нА (БЗ). Ток концевой пластинки, /кл, таким образом, зависит:
- от количества открытых каналов, которое равно произведению количества каналов (л) на вероятность их открывания (д0), что, в свою очередь, определяется концентрацией ацетилхолина в синаптической щели (до 1 ммоль/л);
- проводимости одиночного канала у (примерно 30 пСм);
- мембранного потенциала Еm (в слабой степени): электрическая движущая сила (Еm-ENaK) уменьшается, когда Еm менее отрицателен.
ЕNа.к - это общий равновесный потенциал для Na+ и К+, близкий к 0 мВ. Эта величина также называется обратным потенциалом, потому что направление тока Iкп(INa. + IK) становится противоположным, если Еm меняет знак: Iкп направлен в клетку, когда Еm< 0 (приток Na+ больше оттока К+) и из клетки при Еm > 0 (отток К+ больше притока Na+). В результате
Iкп = n * po * y * (Em-ENaK) [А]. [2.1]
Поскольку в скелетной мышце индуцированный нейроном потенциал концевой пластинки (деполяризация примерно до 70 мВ) гораздо выше, чем возбуждающий постсинаптический потенциал (всего несколько несколько мВ), потенциал действия одиночного двигательного аксона выше порогового уровня. Потенциал концевой пластинки проводится электротонически до ближайшей сарколеммы, где генерируется мышечный потенциал действия при помощи потенциалзависимых Na+-каналов, приводящий к мышечному сокращению.
Окончание синаптической передачи в двигательной концевой пластинке наступает (1) из-за быстрой деградации ацетилхолина в синаптической щели под действием ацетилхолинэстеразы, локализованной на постсинаптической базальной мембране, и (2) при диффузии ацетилхолина из синаптической щели.
Двигательная концевая пластинка может быть блокирована некоторыми ядами и лекарствами, что приводит к мышечной слабости и иногда к параличу. Нейротоксин ботулин, например, ингибирует высвобождение нейромедиаторов из везикул, а а-бунгаротоксин из яда кобры блокирует открывание ионных каналов. Курареподобные агенты, такие как D-тубо-курарин, используют как мышечные релаксанты при хирургических операциях. Они вытесняют ацетилхолин из его центров связывания (конкурентное ингибирование), но не имеют собственного деполяризующего эффекта. Их тормозной эффект можно снять ингибиторами холинэстеразы, например неостигмином (декураризация). Эти вещества увеличивают концентрацию ацетилхолина в синаптической щели, вытесняя кураре. Вход антихолинэстеразных агентов в интактный синапс ведет к увеличению концентрации ацетилхолина и, таким образом, к параличу из-за непрерывной деполяризации. Ацетилхолиноподобные вещества, такие как суксаметоний, оказывают похожий деполяризующий эффект, но разрушаются медленнее, чем ацетилхолин. В этом случае паралич, наступающий из-за непрерывной деполяризации, также необратимо инактивирует Na+-каналы вблизи двигательной концевой пластинки на сарколемме.
Способность двигаться. Типы мышц
Способность двигаться возникает благодаря взаимодействию энергозависимых двигательных белков (энергия АТФ), таких как миозин, кинезин и динеин, с другими белками, такими как актин; или при полимеризации и деполимеризации актина и тубулина. Клеточное деление (цитокинез), клеточная миграция, внутриклеточный везикулярный транспорт, экзо- и эндоцитоз, подвижность спермы, аксонный транспорт, электрическая подвижность наружных волосковых клеток и мерцание ресничек эпителия - это все примеры подвижности клеток и органелл.
Мышцы состоят из клеток (волокон), которые сокращаются при стимуляции. Скелетная мускулатура отвечает за передвижение тела, изменение позы и за движение газов при дыхании. Сердечная мышца качает кровь по сосудам, а гладкие мышцыработают во внутренних органах и в кровеносных сосудах. Типы мышц различаются по нескольким функциональным характеристикам (А).
Двигательная единица скелетной мышцы
В отличие от некоторых типов гладких мышц (однородная гладкомышечная ткань) и сердечных мышечных волокон, которые передают друг другу электрический стимул через щелевые контакты или нексус (А), волокна скелетных мышц стимулируются не соседними мышечными волокнами, а мотонейронами. И действительно, к мышечному параличу приводят именно нарушения иннервации.
Один мотонейрон вместе со всеми мышечными волокнами, которые он иннервирует, называется двигательной единицей (ДЕ). Мышечные волокна, принадлежащие к одной двигательной единице, могут быть распределены по большой площади (см2) поперечного сечения мышцы. Для обеспечения контакта двигательной единицы со всеми мышечными волокнами мотонейрон делится на коллатерали с ответвлениями на концах. Один двигательный нейрон может обслуживать от 25 (мимическая мышца) до более чем 1000 мышечных волокон (височная мышца).
Различают два типа скелетных мышечных волокон: S - медленно сокращающиеся [от англ. slow) волокна (тип 1) и F - быстро сокращающиеся [от англ, fast) волокна (тип 2), а также два подтипа: FR (2А) и FF (2Б). Поскольку каждая двигательная единица содержит только один тип волокон, эта классификация применима и к двигательным единицам. Медленные волокна меньше утомляются и поэтому приспособлены для постоянной работы (на выносливость). Они имеют большую плотность капилляров и митохондрий, высокую концентрацию капель жира (запасной высокоэнергетический субстрат), а также красного пигмента миоглобина (кратковременный запас О2). Они также богаты окислительными ферментами. Быстрые волокна в основном отвечают за краткие и быстрые сокращения. Они легко утомляются (FF > FR) и богаты гликогеном (FF > FR), однако содержат мало миоглобина (FF « FR).
Распределение по типам мышечных волокон зависит от типа мышц. Двигательные единицы медленного (S) типа преобладают в «красных» мышцах (например, в камбаловидной мышце, которая помогает поддерживать тело в вертикальном положении); а двигательные единицы быстрого (F) типа-в «белых» мышцах (икроножная мышца, участвующая в беге). Мышечное волокно одного типа может превращаться в волокно другого типа. Если, к примеру, продолжительная активация быстрых волокон ведет к увеличению концентрации Са2+ в цитоплазме, то быстрая мышца превращается в медленную и наоборот.
Регулировать мышечную активность возможно благодаря тому, что при необходимости может быть задействовано разное количество двигательных единиц. Чем больше двигательных единиц имеет мышца, тем тоньше регулируется ее сокращение. Например, у внешней глазной мышцы, у которой около 2000 двигательных единиц, сокращения гораздо более плавные, чем у червеобразной мышцы - только 100 двигательных единиц. Чем больше число задействованных двигательных единиц, тем сильнее сокращение. Число и тип задействованных двигательных единиц зависят от типа движения (плавное или резкое движение, перемежающееся или постоянное сокращение, рефлекторная активность, произвольное или непроизвольное движение и т. д.). В добавление к сказанному, сила каждой двигательной единицы может быть увеличена с помощью увеличения частоты нейронных импульсов, как при тетанусе скелетной мышцы.
Сократительный аппарат скелетной мышцы
Мышечная клетка представляет собой волокно (А2) диаметром от 10 до 100 мкм. Скелетные мышечные волокна могут иметь длину до 15 см. Мясные «волокна», которые видны невооруженным глазом, в действительности представляют собой пучки мышечных волокон диаметром от 100 до 1000 мкм (А1). Каждое поперечно-полосатое (исчерченное) мышечное волокно покрыто клеточной мембраной, называемой сарколеммой, которая окружает саркоплазму (цитоплазму), несколько клеточных ядер, митохондрии (саркосомы), субстанции, участвующие в обеспечении клетки кислородом и энергией, и несколько сотен миофибрилл.
Так называемые Z-линии, или в трехмерном пространстве Z-диски (дископодобные белки; Б), подразделяют каждую миофибриллу (АЗ) на исчерченные участки длиной примерно 2 мкм, называемые саркомерами (Б). В световом микроскопе можно идентифицировать контрастные светлые и темные полосы и штрихи, образованные толстыми нитями (филаментами) миозина II и тонкими актиновыми филаментами (Б, миозин). Примерно 2000 актиновых филаментов связаны посередине с Z-диском. Таким образом, половина актинового филамента проецируется на два ближайших саркомера (Б). Участок саркомера, ближайший к Z-диску, содержит только актиновые филаменты, которые формируют так называемую 1-полосу (Б). Участок, где актиновые и миозиновые филаменты перекрываются, называется A-полосой. Зона Н содержит только миозиновые филаменты (примерно 1000 на саркомер), которые утолщаются к центру саркомера и формируют М-линию (М-диск).
Актиновые филаменты прикреплены к сарколемме с помощью белка дистрофина, который присоединяется к саркогликанам на сарколемме. Мерозин связывает саркогликаны с коллагеновыми фибриллами внеклеточного матрикса.
Изменение этих белков ведет к миодистрофии (миодистрофия Дюшенна, дистрофия Лейдена, врожденная мышечная дистрофия) - дегенерации мышечных волокон и снижению их силы.
Каждый миозиновый филамент состоит из пучка примерно в 300 молекул миозина II (Б). Каждая молекула миозина имеет две глобулярные головки, соединенные подвижными шейками (головка и шейка = субфрагмент S1; структура образуется после протеолиза) с палочкообразным 66 хвостом (две спаренные а-субъединицы = субфрагмент S2) (В). Каждая головка содержит двигательный домен с нуклеотидсвязывающим карманом (для АТФ или АДФ + Фн) и актинсвя-зывающий участок. В каждой шейке тяжелой молекулы (220 кДа) локализованы две легкие белковые цепи; одна из них - регуляторная (20 кДа), а другая - основная (существенная) (17 кДа). Кон-формационные изменения в районе головки и шейки позволяют миозиновой головке наклоняться при взаимодействии с актином (скользящие филаменты).
Актин - глобулярный белок (G-актин). Четыреста этих глобулярных молекул, полимеризуясь, образуют F-актин, полимерная цепь которого, таким образом, построена из глобул. Две скрученные белковые нити образуют актиновый филамент (Б), который расположен рядом с равным ему по длине белком небулином.
Молекулы тропомиозина (40 нм каждая), соединенные конец к концу, лежат рядом с актиновым филаментом (Б), и приблизительно через каждые 40 нм к ним прикреплена молекула тропонина. Каждая молекула тропонина состоит из трех субъединиц: тропонина С, который имеет два регуляторных центра связывания Са2+ на N-конце, тропонина I, который предотвращает скольжение филаментов в состоянии покоя (с. 68), и тропонина Т, который взаимодействует с тропонинами С и I, а также с актином.
Саркомер имеет также другую систему филаментов (Б), образованную нитями белка титииа (коннектина). Длина титина более 1000 нм, он состоит примерно из 30 000 аминокислот (> 3000 кДа). Эта самая длинная известная полипептидная цепь составляет около 10% общей мышечной массы. Титин прикреплен С-концом к М-диску, а N-концом - к Z-диску.
Сарколемма формирует Т-систему трансверзальных (поперечных) трубочек (впячиваний), которые расположены перпендикулярно миофибриллам. Эндоплазматический ретикулум мышечного волокна имеет характерную форму и называется саркоплазматическим ретикулумом (CP). Он образует закрытые полости, несвязанные с внеклеточным и внутриклеточным пространствами. Большинство этих полостей расположено вдоль миофибрилл, и поэтому они называются продольными трубочками, или цистернами. Саркоплазматический ретикулум лучше развит в скелетных мышцах, чем в миокарде, и служит местом хранения Caz+. Каждая Т-система разделяет соседние продольные трубочки, образуя триады.
Сокращение поперечно-полосатых мышц
Стимуляция мышечных волокон. Высвобождение ацетилхолина вблизи двигательной концевой пластинки скелетной мышцы ведет к возникновению тока концевой пластинки, который распространяется электротонически и активирует быстрые потенциалзависимые Na+-каналы в сарколемме. Это ведет к возникновению потенциала действия (ПД), который проводится со скоростью 2 м/с вдоль сарколеммы всего мышечного волокна и быстро проникает в глубь волокна по Т-системе (А).
Генетические дефекты в структуре натриевых каналов замедляют их дезактивацию, что приводит к повышенной возбудимости с увеличением длительности сокращения и задержкой расслабления мышцы (миотония). Увеличение мышечной активности сопровождается массированным выходом ионов калия из волокна. Это приводит к гиперкалиемии, вследствие чего мышечный потенциал покоя достигает значений, при которых натриевые каналы более не могут быть активированы, и мышца оказывается временно парализована: семейный гилеркалиемический периодический паралич.
Переход от возбуждения к сокращению называется электромеханическим сопряжением (Б). В скелетной мышце этот процесс начинается с потенциала действия, возбуждающего зависимые от напряжения дигидропиридиновые рецепторы (DHPR) в сарколемме в районе триад. Эти рецепторы организованы в ряды, а напротив них в соседней мембране саркоплазматического ретикулума находятся ряды Са2+-каналов, называемых рианодиновыми рецепторами (RYR; в скелетных мышцах рианодиновый рецептор типа 1 - сокращенно RYR1). Каждый второй RYR1 ассоциирован с DHPR (Б2). RYR1 открываются, когда механически «ощущают» изменение конформации DHPR под действием потенциала действия. В миокарде каждый DHPR является частью потенциалзависимого Са2+-канала сарколеммы, который открывается в ответ на потенциал действия. Малые количества внеклеточного Са2+ входят в клетку через этот канал, приводя тем самым к открыванию миокардиального канала RYR2 (так называемый индуцирующий эффект Са2+, или «Са2+-вспышка», БЗ). Ионы Са2+, хранящиеся в СР, выходят через открытый RYR1 или RYR2 в цитоплазму, увеличивая цитоплазматическую концентрацию Са2+ до более чем 1 мкмоль/л по сравнению с концентрацией в покое —0,01 мкмоль/л (Б1). В скелетной мышце стимуляции DHPR на одном участке достаточно, чтобы запустить «дружное» открывание всей группы RYR1. Таким образом увеличивается надежность проведения импульса. Повышенная концентрация Са2+ в цитоплазме насыщает Са2+-связывающие сайты тропонина С, отменяя ингибиторный эффект тропомиозина на скольжение филаментов (Г), которое препятствует прочному (высокоаффинному) связыванию актина и миозина II.
У пациентов с генетическими дефектами RYR1 общая анестезия может приводить к массированному выбросу кальция, что вызывает сильные мышечные сокращения, сопровождающиеся стремительным и опасным для жизни повышением температуры тела: злокачественная гипертермия (=молниеносная гиперпирексия).
Молекулы АТФ необходимы для скольжения филаментов и, следовательно, для мышечного сокращения. Благодаря своей АТФазной активности миозиновые головки действуют как моторы (моторные белки) этого процесса. Миозиновые-ll и актиновые филаменты в саркомере организованы таким образом, что могут скользить друг по другу. Миозиновые головки соединяются с актиновыми филаментами под особым углом, образуя так называемые поперечные мостики (В1). Благодаря конформационным изменениям в районе нуклеотид-связывающего сайта миозина-ll, пространственные размеры которого увеличиваются согласованным движением участка шейки, миозиновая головка наклоняется, смещая за два последовательных «шага» тонкие филаменты в общей сложности на 4-12 нм (рабочий такт). Вторая миозиновая головка может также действует на соседний актиновый филамент, вызывая его сокращение. Затем головка отсоединяется и «напрягается», готовясь к следующему «гребку», когда свяжется с актином снова (ВЗ).
Кинезин, другой моторный белок, независимо двигается по микротрубочке посредством «шагания» двух своих головок (на 8 нм за цикл), как при перетягивании каната. В этом случае 50% цикла - «рабочее время» (коэффициент полезного действия 0,5). В скелетной мышце между двумя последовательными взаимодействиями с актином сам миозин-ll совершает «прыжок» на 36 нм (или на число нм, кратное 36, например, при быстром сокращении на 396 нм или более), чтобы достичь следующего (или 11-го) удобно расположенного актинсвязывающего сайта (ВЗ, прыжок от а к б). В то же время другие миозиновые головки, работающие на данном актиновом филаменте, должны сделать по крайней мере от 10 до 100 гребков примерно по 4 нм каждый. Коэффициент полезного действия головки миозина-ll, таким образом, от 0,1 до 0,01. Такое «разделение труда» между миозиновыми головками гарантирует, что некоторая доля миозиновых головок всегда готова совершить быстрое сокращение.
При скольжении филаментов Z-диски сближаются, и участки наложения тонких и толстых становятся шире, но их общая длина остается неизменной. Это приводит к укорачиванию 1-полосы и Н-зоны. Когда концы толстых филаментов «надвигаются» на Z-диск, происходит максимальное укорачивание мышцы и концы тонких филаментов перекрываются. Укорачивание саркомера, таким образом, происходит с обоих концов миозиновых пучков, но в противоположных направлениях.
Механизм мышечного сокращения (В и Г). Каждая из двух головок молекул миозина-ll (М) связывает с помощью ионов Мg2+ одну молекулу АТФ в нуклеотид-связывающем сайте. Образовавшийся комплекс М-АТФ расположен под углом примерно 45° к остальной части молекулы (Г4). В этом состоянии миозин имеет очень слабое сродство к актину. Из-за воздействия повышенной концентрации Са2+ в цитоплазме на тропонин-тропомиозиновый комплекс актин (А) активирует миозиновую АТФазу, что приводит к гидролизу АТФ (АДФ + Фн) и образованию комплекса актин-миозин-АДФ-Фн (Г1). После этого головки миозина-ll вновь выпрямляются -результат этого конформационного изменения состоит в том, что константа ассоциации актина с миозином увеличивается на четыре порядка (В1, Г1). Фн (неорганический фосфат) отделяется от комплекса, что вызывает отклонение головки миозина на 40° (Г2а). Это приводит к тому, что актиновые и миозиновые филаменты скользят друг относительно друга (первая фаза рабочего такта). Последующее высвобождение АДФ вызывает вторую фазу сокращения, которая однозначно завершается финальным положением головок миозина (Г2б). Сохраняющийся актино-миозиновый комплекс (ригидный комплекс) устойчив и может быть превращен в присутствии АТФ в новый комплекс, где миозиновые головки слабо связаны с АТФ [«смягчающий» эффект АТФ] Г4). Большая подвижность покоящейся мышцы важна для таких процессов, как сердечное наполнение или расслабление мышцы-разгибателя во время быстрого сгибательного движения. Если в цитоплазме сохраняется концентрация Са2+ >10-6 моль/л, циклы И и Г4 начинаются заново. Это в основном зависит от того, поступит ли следующий потенциал действия. Чтобы обеспечить плавность сокращения, только часть миозиновых головок, которые тянут миозиновый филамент, «заняты делом» единовременно (низкий коэффициент полезного действия).
Ионы Са2+, высвобождаемые из саркоплазматического ретикулума (СР), постоянно закачиваются назад за счет активного транспорта при помощи Са2+-АТФазы, также называемой SERCA . Таким образом, если RYR-опосредованное высвобождение Са2+ из саркоплазматического ретикулума прерывается, то концентрация Са2+ в цитоплазме падает ниже 10-6 моль/л и скольжение филаментов прекращается (состояние покоя, Г, верхний левый угол).
Парвальбумин, белок, присутствующий в цитоплазме быстрых мышечных волокон (F-волокон), ускоряет расслабление мышц после короткой фазы мышечного сокращения посредством связывания Са2+ из цитоплазмы в обмен на Мg2+. Сродство парвальбумина к Са2+ выше, чем у тропонина, но ниже, чем у Са2+-АТФазы саркоплазматического ретикулума. Таким образом, парвальбумин действует как «медленный» Са2+-буфер.
Ход цикла скольжения филаментов, как он описан выше, в основном относится к изотоническому сокращению, т. е. к сокращению, в ходе которого происходит укорочение мышцы. В ходе строго изометрического сокращения, когда напряжение мышцы увеличивается, но длина мышцы остается неизменной, отклонение миозиновых головок и взаимное скольжение филаментов не может произойти. Вместо этого при изометрическом сокращении усилие достигается путем деформации миозиновых головок (ГЗ).
Мышечные волокна мертвого тела не производят АТФ. Это означает, что после смерти Са2+ больше не закачивается обратно в СР и запасы АТФ, необходимые для того, чтобы разрушить стабильный комплекс актин-миозин, скоро истощаются. Это приводит к окоченению мертвого тела (трупное окоченение), которое проходит только после разложения актина и миозина в мышечном волокне.
Механика скелетной мышцы
Потенциалы действия, генерируемые в мышечном волокне, увеличивают внутриклеточную концентрацию Са2+, [Са2+]внугр, инициируя сокращение (скелетная мышца; миокард). В скелетных мышцах регуляция силы сокращения достигается участием разного числа двигательных единиц и изменением частоты потенциала действия. Однократный стимул, если он выше порогового уровня, всегда ведет к максимальному высвобождению Са2+ и, таким образом, к максимально интенсивному однократному сокращению (реакция «все или ничего»). Тем не менее такой однократный стимул не индуцирует максимального укорочения мышечного волокна, поскольку он слишком короткий для поддержания скользящих филаментов в движении до достижения финальной позиции. Укорочение мышцы продолжается только в том случае, если второй стимул поступит до того, как мышца полностью расслабится после первого стимула. Такое повторение стимула ведет к нарастающей механической суммации, или суперпозиции, отдельных сокращений (А). Если частота стимуляции становится настолько высокой, что мышца уже не может расслабиться между стимулами, то наступает длительное максимальное сокращение двигательных единиц, или тетанус (А). Это происходит, например, при 20 Гц в медленно сокращающихся мышцах, и при 60-100 Гц в быстро сокращающихся мышцах. Мышечная сила во время тетануса может быть в четыре раза больше, чем при однократном сокращении. Концентрация Са2+ несколько уменьшается между суммирующимися стимулами, а при тетанусе остается высокой.
Окоченение, как и контрактура, характеризуются стойким укорачиванием мышц. Это состояние нужно отличать от тетануса. Контрактура вызывается не потенциалом действия, а стойкой локальной деполяризацией, например, вследствие увеличенной внутриклеточной концентрации К+ (К+-контрактура) или индуцированного высвобождения Са2+, например, в ответ на кофеин. Сокращение так называемых изотонических волокон (особых волокон внешних мышц глаза и мышечных веретен; с. 326) также одна из форм контрактуры. Изотонические волокна не отвечают на стимулы по закону «все или ничего», а сокращаются пропорционально величине деполяризации. Степень сокращения изотонических волокон регулируется изменением концентрации Са2+ в цитоплазме (не потенциалом действия!).
И напротив, общий мышечный тонус (рефлекторный тонус), или устойчивое напряжение скелетной мышцы в покое, относится к развитию нормального потенциала действия в отдельной двигательной единице. Единичные сокращения не могут быть зарегистрированы, поскольку двигательные единицы работают асинхронно. Например, лозные мышцы (поддерживающие осанку) при видимом покое находятся в непроизвольном напряжении. Тонус покоящейся мышцы регулируется рефлексами и увеличивается при повышении внимания.
Типы сокращений
Существуют разные типы мышечных сокращений. При изометрическом сокращении мышечная сила (напряжение) изменяется, а длина мышцы остается постоянной. (В сердечной мышце этот тип представлен изоволюметрическим (изообъемным) сокращением, ведь длина мышцы определяет объем предсердия и желудочков.) При изотоническом сокращении длина мышцы меняется под действием постоянной мышечной силы. (В сердечной мышце этот тип представлен изобарным сокращением (при постоянном давлении) - мышечная сила определяет давление в предсердии или в желудочке.) При ауксотоническом сокращении мышечная длина и сила изменяются одновременно. Изотоническое или ауксотоническое сокращение, которое формируется на основе изометрического, называется сокращением с постнагрузкой.
Растяжимость мышцы
Покоящаяся мышца, содержащая АТФ, может быть растянута, как будто она резиновая. Сила, необходимая для начала расслабления мышцы (Г, Д, сила покоя), очень мала, но увеличивается экспотенциально в случае эластичной мышцы (см. кривую покоя, Г). Мышечное сопротивление растяжению, которое удерживает скользящие филаменты в саркомере от разделения, в какой-то степени зависит от фасций (фиброзной ткани). Основной фактор, однако, это гигантская нитевидная эластичная молекула, называемая титином (или коннектином; длиной 1000 нм, массой от 3 до 3,7 МДа), которая включена в саркомер (6 молекул титина на миозиновый филамент). В районе полосы А каждого саркомера титин расположен около миозинового филамента и помогает удерживать его в центре саркомера. Молекулы титина в районе полосы I гибкие и функционируют в качестве «эластичных тяжей», которые противодействуют пассивному сокращению мышцы и влияют на скорость ее укорачивания.
Растяжимость молекулы титина (титин может вытягиваться до примерно десятикратного размера по сравнению с первоначальной длиной в скелетной мышце и немного меньше в сердечной мышце) определяется частым повторением последовательности PEVK (пролин-глутамат-валин-лизин). При очень сильном растяжении мышцы, которое представлено самым крутым участком кривой покоя (Г), также разворачиваются элементы глобулярной цепи, называемые доменами иммуноглобулина С2. Чем быстрее сокращается мышца, тем более неожиданным и резким будет действие этого «поглотителя шока».
Длина (L) и сила (F), или «напряжение», мышцы тесно взаимосвязаны (В, Д). Общая сила мышцы является суммой ее активной силы и ее напряжения в покое, как было описано выше. Поскольку активная сила определяется величиной всех потенциальных актино-миозиновых взаимодействий, она варьирует в соответствии с начальной длиной саркомера (В, Г). Скелетная мышца может развить максимальную активную (изометрическую) силу (F0) от своей длины покоя (Lmax; длина саркомера примерно от 2 до 2,2 мкм; В). Когда саркомеры укорачиваются, (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 [L > развивать силу ограничена, поскольку ограничено количество потенциально доступных актино-миозиновых мостиков (В). При растяжении до 130% или более величины Lmax сила растяжения в покое становится основной составляющей общей мышечной силы (Д).
Кривая «длина-сила» соответствует сердечной диаграмме «давление-объем», где длине соответствует объем наполнения желудочка, а силе -давление в желудочке. Концентрация Са2+ в цитоплазме может влиять на соотношение дав-ление/объем из-за изменения сократимости.
Другие важные функциональные различия между сердечной и скелетной мышцами перечислены ниже.
Поскольку скелетная мышца, по сравнению с сердечной, более эластична, пассивная сила растяжения сердечной мышцы в покое больше, чем таковая скелетной мышцы (Д1, 2)
В норме скелетная мышца функционирует в области плато кривой «длина-сила», тогда как сердечная мышца в норме работает на восходящем участке (ниже Lmax) кривой (которая не имеет плато) (В, Д1, 2). Следовательно, желудочек отвечает на увеличение диастолического наполнения увеличением развиваемой силы (механизм Франка-Старлинга). В сердечной мышце растяжение также воздействует на чувствительность тропонина к Са2+, что дает более крутую кривую (Д2).
Потенциал действия в сердечной мышце гораздо продолжительнее, чем в скелетной мышце, потому что gK< понижается со временем, а gCа увеличивается за 200-500 мс после быстрой инактивации Na+-каналов. Это вызывает медленный приток Са2+, в результате чего потенциал действия достигает плато. Таким образом, период рефрактерности не заканчивается почти до конца сокращения. Следовательно, тетанус в сердечной мышце невозможен.
В отличие от скелетной мышцы, в сердечной мышце нет двигательных единиц. Вместо этого стимул распространяется по всем волокнам предсердий, а потом желудочков, вызывая сокращение по принципу «все или ничего» обоих предсердий и желудочков.
В сердечной мышце, но не в скелетных, продолжительность потенциала действия может менять силу сокращения, которая контролируется варьированием притока Са2+ в клетку.
Чем больше сила (нагрузка), тем ниже скорость изотонического сокращения (см. диаграмму «скорость-сила», E1). Максимальная сила с небольшим количеством тепла - в отсутствие укорочения. Максимальная скорость (примерно 7 м/с в бицепсах) и много тепла - в отсутствие нагрузки. Сокращения с незначительной нагрузкой, таким образом, могут быть совершены гораздо быстрее, чем с тяжелой нагрузкой (Е2). Общее количество энергии, потребляемое для работы и теплообмена, больше при изотоническом сокращении, чем при изометрическом. Мощность мышцы - это произведение силы на скорость укорочения: Н • м • с-1 = Вт (Е1, закрашенные области диаграммы).
Гладкая мышца
Гладкая мышца состоит из многих слоев веретеновидных клеток. Гладкие мышцы работают во многих органах (желудок, кишечник, желчный пузырь, мочевой пузырь, матка, бронхи, глаз и т. д.), а также в кровеносных сосудах, где играют важную роль в регуляции кровообращения. Гладкие мышцы содержат специальный тип F-актин-тропомиозин- и миозин II-филаментов, но мало тропонина и миофибрилл. Кроме того, гладкие мышцы не имеют развитой системы микротрубочек и саркомеров (они не исчерчены). Отсюда и название - гладкая мускулатура. Гладкомышечные филаменты формируют слабый сократительный аппарат, расположенный в клетке продольно и прикрепленный к дисковидным бляшкам (модель см. Б), которые также обеспечивают механическую связь между клетками в гладкой мускулатуре. Гладкая мышца может укорачиваться гораздо сильнее, чем поперечно-полосатая мышца.
Мембранный потенциал гладкомышечных клеток многих органов (например, кишечника) не постоянный, а ритмично изменяется с низкой частотой (от 3 до 15 мин-1) и амплитудой (от 10 до 20 мВ), таким образом образуя медленные волны. Эти волны вызывают вспышки потенциала действия (пики), если превосходят некоторый потенциал покоя. Чем дольше медленная волна остается выше потенциала покоя, тем больше количество и частота потенциалов действия, которые она производит. Сравнительно вялое сокращение происходит примерно через 150 мс после пика. Тетанус наступает при довольно низкой частоте пиков. Следовательно, гладкая мускулатура постоянно находится в состоянии более или менее сильного сокращения (тонуса). Потенциал действия гладкомышечных клеток некоторых органов имеет плато, аналогичное таковому у сердечного потенциала действия.
Существуют два типа гладкой мускулатуры (А). Клетки однородной гладкомышечной ткани электрически сопряжены друг с другом щелевыми контактами. В таких органах, как желудок, кишечник, желчный пузырь, мочевой пузырь, мочеточники, матка и в некоторых типах кровеносных сосудов, т. е. там, где присутствует этот тип гладкомышечной ткани, стимулы передаются от клетки к клетке. Стимулы генерируются автономно изнутри гладкой мускулатуры (частично клетками-водителями ритма). Другими словами, стимул не зависит от иннервации и во многих случаях является спонтанным (миогенный тонус). Второй тип, неоднородная гладкомышечная ткань, характеризуется тем, что межклеточные взаимодействия там осуществляются
в основном при помощи стимулов, передаваемых вегетативной нервной системой (нейрогенный тонус). Это происходит в таких структурах, как артериолы, семенные канальцы, радужная оболочка глаза, ресничное тело, мышцы у корней волос. Поскольку между этими гладкомышечными клетками обычно нет щелевых контактов, стимуляция остается локальной, как в двигательных единицах скелетной мышцы.
Тонус гладкой мускулатуры регулируется степенью деполяризации (например, посредством растяжения или клеток - водителей ритма), а также с помощью медиаторов (например, ацетилхолина или норадреналина) и многочисленных гормонов (например, в матке - эстрогена, прогестерона и окситоцина, в стенках сосудов - гистамина, ангиотензина II, вазопрессина, серотонина и брадикинина). Увеличение тонуса происходит, если любой из этих факторов прямо или опосредованно увеличивает внутриклеточную концентрацию Са2+ до более 10-6 моль/л. Приток Са2+ происходит в основном из межклеточного пространства, но небольшие количества поступают и из внутриклеточных запасов (Б1). Ионы Са2+ связываются кальмодулином (КМ) (Б2), и комплекс Са2+-КМ способствует сокращению. Как же это происходит?
Регуляция на уровне миозина II (БЗ): комплекс Са2+-КМ активирует киназу легких цепей миозина (КЛЦМ), которая фосфорилирует регуляторную легкую цепь миозина (РЛЦМ) по заданному положению, благодаря чему миозиновая головка может взаимодействовать с актином (Б6).
Регуляция на уровне актина (Б4): комплекс Са2+-КМ также связывает кальдесмон (КДМ), который затем отщепляется от комплекса актин-тропомиозин, делая его доступным для скольжения филаментов (Б6). Фосфорилирование КДМ протеинкиназой С (ПК-С) также, по-видимому, способно индуцировать скольжение филаментов (В5).
Следующие факторы ведут к снижению тонуса: снижение концентрации Са2+ в цитоплазме ниже 10-6 моль/л (Б7), фосфатазная активность (Б8), а также активность протеинкиназы С, когда она фосфорилирует другое положение легкой цепи миозина (Б9).
При регистрации зависимости «длина-сила» для гладкой мышцы выявляется постоянное снижение мышечной силы, в то время как длина мышцы остается постоянной. Это свойство мышцы называется пластичностью.
Энергетическое обеспечение мышечного сокращения
Аденозинтрифосфат (АТФ) - прямой источник химической энергии для мышечного сокращения (А). Однако мышечная клетка содержит лишь ограниченное количество АТФ, например его может быть достаточно для преодоления спринтером около 10-20 м. Следовательно, потраченный АТФ должен постоянно возобновляться, чтобы поддерживать внутриклеточную концентрацию АТФ на постоянном уровне, даже когда он требуется в больших количествах. Существуют три основных пути восстановления запасов АТФ (Б).
1. Дефосфорилирование креатинфосфата.
2. Анаэробный гликолиз.
3. Аэробное окисление глюкозы и жирных кислот.
Пути 2 и 3 относительно медленные; так что именно креатинфосфат (КрФ) должен обеспечивать необходимую химическую энергию для быстрого восстановления запасов АТФ. АДФ, образующийся из АТФ, немедленно превращается митохондриальной креатинкиназой в АТФ и креатин (Кр) (Б1). Запас креатинфосфата в мышце достаточен для кратковременных интенсивных нагрузок длительностью 10-20 с (например, в организме спринтера на 100-метровой дистанции).
Анаэробный гликолиз начинается позже, чем дефосфорилирование креатинфосфата (самое большее через 30 с). При анаэробном гликолизе мышечный гликоген превращается через глюкозоб-фосфат в молочную кислоту (лактат + Н+), образуя в результате по 3 молекулы АТФ на каждый остаток глюкозы (Б2). Во время небольшой физической нагрузки лактат расщепляется в сердце и печени, при этом используются ионы Н+. Приблизительно на 1 мин позже этого малопродуктивного механизма регенерации АТФ начинается аэробное окисление глюкозы и жирных кислот. Если во время интенсивных упражнений аэробное окисление не производит достаточного количества АТФ, анаэробный гликолиз продолжается.
В этом случае глюкоза должна импортироваться из печени, где она образуется посредством гликогенолиза и глюконеогенеза. При этом образуется только две молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы, поскольку одна молекула АТФ необходима для фосфорилирования самой глюкозы по положению 6.
Аэробное восстановление запасов АТФ из глюкозы (около 32 молекул АТФ на остаток глюкозы) или из жирных кислот требуется в случае продолжительных нагрузок (БЗ). Минутный сердечный выброс = сердечный ритм х ударный объем сердца) и общая легочная вентиляция при этом должны быть увеличены, чтобы удовлетворять возросшим потребностям метаболизма в мышце; затем сердечный ритм становится постоянным (с. 81 Б). Несколько минут, которые проходят до того, как достигается это стационарное состояние, преодолеваются за счет анаэробного производства энергии, увеличенного поглощения O2 из крови и использования небольших резервов О2 в мышце (О2, связанного с миоглобином). Промежуток времени между двумя фазами часто воспринимается как «низшая точка» физической нагрузки.
Сродство к О2 у миоглобина выше, чем у гемоглобина, но ниже, чем у ферментов дыхательной цепи. Таким образом, миоглобин обычно насыщен Од и может передать кислород митохондриям при временной недостаточной поставке кислорода артериями.
Функциональные резервы сердца у тренированных спортсменов оцениваются в 370 Вт (~ 0,5 л. с.), и в основном это зависит от скорости, с которой поступает О2, а также от того, как быстро происходит аэробное окисление. Если резервы превышены, стационарное состояние не может быть достигнуто - сердечный ритм постоянно растет. Мышцы могут временно компенсировать дефицит энергии (см. выше), но метаболизм лактата не может успевать за устойчиво высокой скоростью анаэробного восстановления запасов АТФ. Вследствие этого развивается лактацидоз, т. е. появляется избыток лактата и ионов Н+. Если субъект превышает свои резервы сердца примерно на 60%, что почти эквивалентно максимальному потреблению кислорода, то концентрация лактата в плазме резко повышается, достигая так называемого анаэробного порога 4 ммоль/л. С этого момента значительное увеличение исполняемой физической работы невозможно. Системное понижение pH приводит к увеличению ингибирования химических реакций, необходимых для мышечного сокращения. Это ведет к дефициту АТФ, быстрой мышечной утомляемости и, в конце концов, к остановке мышечной работы.
Метаболизм креатинфосфата и анаэробный гликолиз позволяют организму совершать в 3 раза больше мышечной работы, чем это возможно при аэробном восстановлении запасов АТФ, хотя только в течение примерно 40 с. Однако эти процессы приводят к дефициту 02 который должен быть компенсирован в течение постнагрузочного восстановительного периода (кислородный долг). Организм «оплачивает» этот долг путем восстановления своих резервов энергии и разрушением избытка лактата в печени и сердце. После интенсивной нагрузки кислородный долг гораздо больше (до 20 л) по сравнению с тем дефицитом кислорода, который возникает по другим причинам.
Физическая работа
Существует три типа мышечной работы:
- Положительная динамическая работа, которая требует от мышц попеременного сокращения-расслабления (например, при подъеме в гору).
- Отрицательная динамическая работа, которая требует от мышц попеременного растяжения при торможении [работа торможения) и сокращения без нагрузки (например, при движении под гору).
- Статическая работа по поддержанию позы (постуральная работа), которая требует постоянного сокращения (например, в положении стоя).
Многие виды деятельности включают в себя комбинацию двух или трех видов мышечной работы. Направленная вовне механическая работа производится за счет динамической мышечной активности, но это не относится к постуральной работе (по поддержанию позы). В последнем случае Сила х Расстояние = 0. Однако химическая энергия при этом потребляется и полностью преобразуется в теплоту, называемую теплотой поддержания позы и равную произведению мышечной силы на длительность статической работы.
При интенсивной работе мышце требуется в 500 раз больше 02, чем в покое. В то же время мышца должна избавляться от продуктов метаболизма, таких как Н+, С02 и лактат. Таким образом, мышечная работа требует радикальных перестроек сердечно-сосудистой и дыхательной систем.
У нетренированных людей минутный сердечный выброс (объем, СО) увеличивается от 5-6 л/мин в покое до максимума в 15-20 л/мин во время нагрузки. Связанная с работой активация симпатической нервной системы увеличивает сердечный ритм примерно в 2,5 раза, а ударный объем сердца -примерно в 1,2 раза. При легкой или умеренной нагрузке сердечный ритм скоро поднимается до нового постоянного уровня, и усталость не развивается. Очень интенсивную нагрузку, напротив, приходится быстро заканчивать, поскольку сердце не способно к долговременному поддержанию необходимых для этого параметров своей работы (Б). Увеличенный минутный сердечный выброс обеспечивает приток крови к мышцам (A) и коже (для отвода тепла). Кровоток в почках и кишечнике, напротив, при этом снижается ниже величины покоя (А). Систолическое артериальное давление возрастает, тогда как диастолическое давление остается постоянным, что приводит только к умеренному увеличению среднего давления.
Чем меньше масса мышц, участвующих в работе, тем значительнее повышение артериального давления. Следовательно, при ручной работе (подрезка живой изгороди в саду) увеличение артериального давления больше, чем при активном движении ногами (езда на велосипеде).
Для пациентов с поражением коронарных артерий или нарушением мозгового кровообращения работа руками более опасна, чем ногами, из-за риска инфаркта миокарда или мозгового кровоизлияния.
Мышечный кровоток. При максимальной нагрузке кровоток в расчете на 1 кг активной мускулатуры возрастает до 2,5 л/мин, что эквивалентно 10% максимального минутного сердечного выброса. Следовательно, одномоментно могут быть полностью активны не более 10 кг мышц (менее трети общей мышечной массы). Вазодилатация (расширение сосудов), необходимая для повышенного кровотока, в основном достигается посредством локальных химических стимулов (РСо2↑, Р02↑, pH↓) или высвобождения NO. При чисто статической работе увеличению кровотока частично препятствует постоянно сокращенная мышца, которая пережимает свои собственные сосуды. Таким образом, мышца утомляется быстрее, чем при ритмичной динамической работе.
При физических упражнениях (В1) легочная вентиляция (VE) возрастает до максимума (90-120 л/мин) по сравнению с состоянием покоя (примерно 7,5 л/мин) (ВЗ). В это увеличение вносят вклад частота дыхания (максимум 40-60 мин-1; В2) и циркулирующий объем (максимум примерно 2 л). По причине высокой легочной вентиляции и увеличения СО потребление кислорода (VO2) может возрастать у нетренированного человека примерно от 0,3 л/мин в покое до максимума (VO2max) - примерно 3 л/мин (В4). Для потребления 1 л 02 через легкие в покое должно быть пропущено около 25 л воздуха: дыхательный коэффициент VE/VO2 равен 25. Во время физических упражнений отношение VE/VO2 возрастает до 40—50, что превышает функциональные резервы.
Увеличение поглощения 02 в тканях во время нагрузки также вносит вклад в существенное увеличение VO2. Снижение pH и повышение температуры смещают кривую связывания 02 вправо. Поглощение 02 вычисляется как произведение разности концентраций 02 в артериях и венах (avDO2 в л/л крови) на скорость кровотока (л/мин). Максимальное потребление 02 (VOmаx) определяется уравнением:
VO2max = HRтах • SVmax • avDO2max,
где HR - сердечный ритм, a SV- ударный объем сердца. ОтношениеVO2max к массе тела характеризует способность к физической нагрузке.
Общая физическая подготовка и тренировки спортсменов
Способность к физической нагрузке может быть измерена при помощи простого стандартного метода - эргометрии. Это может быть необходимо, например, спортсменам для оценки результатов тренировки или пациентам, проходящим реабилитационную терапию. Метод эргометрии позволяет количественно связать воздействие упражнений и такие физиологические параметры, как потребление О2 (VO2mах), частота дыхания, сердечный ритм и концентрация лактата в плазме (A). Измеряемый параметр - мощность (физическая работоспособность) выражается в ваттах (Вт) или Вт/кг массы тела.
При эргометрии на велосипедном тренажере с помощью тормоза подгоняется уровень мощности в ваттах. При эргометрии на бегущей дорожке «в горку» под углом а физическая работоспособность в ваттах рассчитывается как отношение произведения массы тела (кг) на ускорение силы тяжести g (м • с-2), дистанцию (м) и sin а ко времени (с). В шаговом тесте (Margaria) тестируемый должен бежать вверх по лестнице как можно быстрее, начиная с некоторой стартовой дистанции. Физическая работоспособность затем рассчитывается как отношение произведения массы тела (кг), g (м * с-2) и высоты (м) ко времени (с).
Тесты при кратковременных физических нагрузках (10-30 с) оценивают работоспособность, достигаемую с помощью быстродоступных резервов энергии (креатинфосфат, гликоген). Тесты физической работоспособности средней продолжительности измеряют работоспособность, «питаемую» анаэробным гликолизом. Максимальное потребление O2(VO2mах) используется для оценки выполнения более длительных аэробных нагрузок, обеспечиваемых за счет окисления глюкозы и свободных жирных кислот.
При интенсивной физической нагрузке (примерно 2/3 и более максимально возможной) аэробные механизмы не обеспечивают организм достаточной энергией, и для дополнительной поставки энергии должен служить анаэробный метаболизм. Это приводит к лактацидозу и резкому увеличению концентрации лактата в плазме (А). Организм может переносить концентрацию лактата до 2 ммоль/л (аэробный пороговый уровень) при длительных физических нагрузках. Концентрации лактата свыше 4 ммоль/л (анаэробный пороговый уровень) указывают на то, что организм близок к пределу физической работоспособности. Упражнения в итоге надо прерывать не из-за увеличения концентрации 82 лактата, а из-за усиления ацидоза.
Физические тренировки увеличивают и поддерживают физическую работоспособность. Существуют три стратегии тренировок, но большинство тренировочных программ используют их в комбинации.
- Тренировки (обучение) увеличивают уровень и правильность двигательных навыков (например, при работе на пишущей машинке или наборе текстов на компьютере). Эти формы активности в основном регулирует ЦНС.
- Тренировки на выносливость улучшают длительную работоспособность, близкую к максимальной (например, при марафоне). Основная цель тренировок на выносливость заключается в увеличении окислительной емкости медленных двигательных единиц, например благодаря увеличению плотности митохондрий, минутного сердечного выброса и, вследствие этого, увеличению VO2max (Б, В). В результате таких тренировок масса сердца увеличивается, что приводит к большему ударному объему сердца (В), а также к большему объему циркулирующей крови, а значит к урежению пульса и частоты дыхания. Тренированные спортсмены, таким образом, могут достигнуть более существенного увеличения минутного сердечного выброса и легочной вентиляции, чем нетренированные люди (В). У здорового человека VO2mах ограничен емкостью сердечно-сосудистой системы, а не дыхательной. У людей, которые развивают у себя выносливость, связанное с упражнениями увеличение концентрации лактата также меньше и развивается позже, чем у нетренированных (А).
Силовые нагрузки (например, поднятие тяжестей) улучшают максимальную кратковременную физическую работоспособность. Основная цель здесь -увеличить мышечную массу посредством увеличения размеров (гипертрофия) мышечных волокон и увеличить гликолитическую емкость двигательных единиц F-типа.
Чрезмерные физические упражнения вызывают мышечную боль и ригидность. Причина этого заключается не в аккумуляции молочной кислоты, а в микротравмах саркомеров, что ведет к опуханию мышц и вызывает боли. Мышечная боль - это признак микровоспалений (Г).
Мышечное утомление может быть центральным или периферическим. Периферическое утомление вызывается истощением запасов энергии и аккумуляцией продуктов метаболизма в активной мышце. Это особенно быстро происходит во время статических нагрузок. Центральное утомление характеризуется болью в работающих мышцах и суставах, что препятствует продолжению занятий спортом или снижает мотивацию к этому.