Биохимия мышечного сокращения

Паровая машина может превращать в полезную работу только около 10% тепловой энергии, полученной от сжигания топлива; остальное тепло рассеивается. Мышцы же способны использовать для сокращения от 20 до 40% химической энергии молекул пищевых веществ, например глюкозы. Остальная энергия переходит в тепло, но не теряется полностью, а частично используется для поддержания температуры тела. Если человек не производит сокращений мышц, то образующегося в организме тепла недостаточно для того, чтобы согревать тело в условиях холода. Тогда мышцы начинают сокращаться непроизвольно (человек «дрожит»), и образующееся при этом тепло восстанавливает и поддерживает нормальную температуру тела.

Физиологи и биохимики уже м:юго лет пытаются выяснить, каким образом протоплазма может развивать тянущее усилие, но сущность химических и физических процессов, происходящих при мышечном сокращении, все еще остается в области скорее догадок, чем установленных фактов. Химический анализ показывает, что мышца на 80% состоит из воды, сухой же остаток содержит главным образом белок, а также небольшие количества жира и гликогена и два фосфорсодержащих соединения: фос-фокреатин и аденозинтрифосфат (АТФ). Предполагают, что действительно сократимой частью мышечного волокна является белковая цепь, которая укорачивается в результате изгибания со сближением звеньев или удаления воды из «внутренних пространств» белковой молекулы. В этом участвуют два белка: миозин и актин, которые по отдельности не способны сокращаться Но если их смешать в пробирке и добавить калий и АТФ, то система приобретает способность к сокращению. Это сокращение в пробирке было одним из самых интересных открытий, когда-либо сделанных в биохимии.

Первый шаг в раскрытии тайны мышечного сокращения состоит в том, чтобы путем анализов определить, какие вещества расходуются в этом процессе. Количество гликогена, кислорода, фосфокреатина и АТФ во время сокращения уменьшается, а количество углекислоты, молочной кислоты и неорганического фосфата возрастает. Поскольку расходуется кислород и образуется углекислота, можно предполагать, что сокращение связано с каким-то окислительным процессом. Но это окисление не является необходимым: мышца может многократно сокращаться даже при полном лишении ее кислорода, если, например, выделить ее из организма и поместить в атмосферу азота. Однако такая мышца утомляется быстрее, чем мышца, сокращающаяся в атмосфере кислорода. Кроме того, наше дыхание бывает учащенным не только во время мышечного напряжения, но и в течение некоторого времени после прекращения физической работы. Это указывает на то, что окисление связано, по-видимому, не с самим мышечным сокращением, а с процессом во-становления после сокращения.

Исчезновение гликогена и образование молочной кислоты связаны между собой, так как в отсутствие кислорода количество образующейся молочной кислоты в точности эквивалентно количеству исчезающего гликогена. Поскольку расщепление гликогена до молочной кислоты не требует присутствия кислорода и сопровождается быстрым освобождением энергии, одно время думали, что эта реакция непосредственно обусловливает мышечное сокращение. При наличии кислорода мышца окисляет около 20% молочной кислоты до углекислоты и воды, а энергию, освобождающуюся при этом окислении, использует для превращения остальных 80% молочной кислоты в гликоген. Таким образом, становится понятным, почему молочная кислота не накапливается в мышце при достаточном количестве кислорода и почему мышца утомляется быстрее (утомление связано с истощением запасов гликогена и накоплением молочной кислоты), сокращаясь в отсутствие кислорода.

Примерно в 1930 г. было установлено, что мышца, отравленная йодацетатом (тормозящим химические реакции, с которыми связано расщепление гликогена до молочной кислоты), все-таки способна сокращаться, хотя может сокращаться всего 60—70 раз, тогда как мышца, лишенная кислорода, сокращается 200 раз и более. Но то обстоятельство, что она вообще может сокращаться при отсутствии гликолиза, показывает, что гликолиз не служит главным источником энергии для сокращения.

Второе изменение, которое можно обнару-жить химическими методами во время сокращения,— это отщепление неорганического фосфата от фосфокреатина и АТФ, сопровождающееся выделением энергии. Теперь полагают, что оно и служит непосредственным источником энергии для сокращения. Обменные реакции, посредством которых глюкоза и другие вещества используются для образования богатых энергией фосфатов (например, АТФ), описаны в гл. V. В мышце резервуаром макроэр-гических фосфатных связей служит фосфокре-атин; но его макроэргическая фосфатная группа может быть использована для сокращения только после того, как она будет перенесена на АДФ с образованием АТФ. После сокращения мышцы расщепление гликогена до молочной кислоты и окисление этой кислоты в реакциях цикла Кребса доставляет энергию для ресинтеза АТФ и фосфокреатина.

Таким образом, мышечное сокращение связано со следующими химическими реакциями: Миозин служит не только сократительным белком, но и ферментом: он может катализировать расщепление АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Перенос макроэргической фосфатной группы с АТФ на креатин катализируется ферментом креатинкиназой.

По приближенной оценке, энергия одних органических фосфатов могла бы поддерживать максимальное мышечное сокращение в течение лишь нескольких секунд. За ее счет человек мог бы совершить пробег на дистанцию около 50 м. При использовании всех источников энергии, доступных в отсутствие кислорода, человек мог бы продолжать максимальные сокращения мышц в течение 30—60 сек.

Кислородная задолженность. То обстоятельство, что действительное сокращение мышцы и частичное последующее восстановление происходят без участия кислорода, имеет черезвычай-но важное значение. Нашим мышцам часто приходится производить очень большую работу за короткое время, и, хотя при физическом напряжении ритм дыхания и сердечных сокращений возрастает, доставляемого кислорода не могло бы хватить для выполнения этой работы. При очень большом напряжении, например при беге на 100 м, гликоген расщепляется до молочной кислоты быстрее, чем может окисляться молочная кислота, так что происходит накопление последней. В таких случаях говорят, что мышца имеет кислородную задолженность, которая впоследствии компенсируется, когда мы быстро вдыхаем повышенное количество кислорода, достаточное для окисления части молочной кислоты и получения таким путем энергии для ресинтеза гликогена из остальной молочной кислоты. Иными словами, при коротких периодах очень большой мышечной активности мышцы используют источники энергии, не требую-щие затраты кислорода. Но окончании мышечной работы мышцы и другие ткани покрывают кислородную задолженность, используя добавочные количества кислорода для восстановления нормальных запасов макроэргических соединений и гликогена. При беге на длинную дистанцию бегун может достигнуть равновесия и продолжать бег «на втором дыхании», при котором благодаря усиленной работе легких и сердца ткани получают достаточно кислорода, чтобы окислять вновь образующуюся молочную кислоту, и кислородная задолженность, таким образом, не возрастает.

Утомление. Если мышца вследствие многократного сокращения, истощения запасов органических фосфатов и гликогена и накопления молочной кислоты не способна больше сокращаться, то говорят, что мышца утомлена. Основная причина утомления — накопление молочной кислоты, хотя животные чувствуют усталость еще до того, как наступит истощение запасов в мышце.

Место, наиболее подверженное утомлению, можно установить экспериментально, если отпрепарировать мышцу вместе с ее нервом и повторно раздражать нерв электрическими импульсами до тех пор, пока мышца не перестанет сокращаться . Если затем непосредственно раздражать мышцу, поместив на нее электроды, то можно снова получить энергичную реакцию. При помощи прибора, позволяющего обнаружить прохождение нервных импульсов, можно показать, что идущий к мышце нерв не утомлен: он все еще способен проводить импульсы. Следовательно, утомлению подвержено место соединения нерва с мышцей, где нервные импульсы возбуждают мышцу, заставляя ее сокращаться.

Механизм мышечного сокращения. Электронные микрофотографии показывают, что мышечные фибриллы (миофибриллы) состоят из продольных нитей, называемых миофиламентами. Существует два типа таких нитей: толстые (толщиной 100 А, длиной 1,5 |а)'и тонкие (толщиной 50 А, длиной 2[х) . Путем изби-

рательного экстрагирования белков и методами гистохимического и иммунохимического окрашивания удалось показать, что толстые нити состоят из миозина, а тонкие — из актина. Толстые и тонкие нити расположены таким образом, что на поперечном разрезе каждая толстая нить окружена шестью тонкими, причем каждая из этих тонких нитей в свою очередь служит центром для шести толстых нитей.

Видимая в обычный микроскоп структура из чередующихся темных и светлых полос образована чередованием плотных дисков А и менее плотных дисков I . Каждая структурная единица состоит из одного диска А и примыкающих к нему с обеих сторон дисков I и отделена от соседней единицы тонкой плотной пластинки Z, проходящей по середине диска I. Средняя часть диска несколько светлее и называется областью Н. Как показывают электронные микрофотографии, толстые нити имеются только в диске А, а диск I содержит только тонкие нити. Последние, однако, заходят до некоторой степени в диск А — в промежутки между толстыми нитями. Таким образом, на обоих концах диска А имеются как толстые, так и тонкие нити, а средняя часть (зона Н) содержит только толстые нити. Тонкие нити кажутся гладкими, а на толстых видны мельчайшие выступы, расположенные с интервалами 60—70 А по всей их длине и доходящие до соседней тонкой нити. Эти выступы имеют вид мостиков, соединяющих оба комплекса нитей.

Во время мышечного сокращения длина диска А остается постоянной, но диск I укорачивается, а зона Н в диске А также уменьшается. Хаксли и другие авторы высказали предположение, что при сокращении толстые и тонкие нити не изменяют своей длины, а скользят друг по другу; при этом тонкие нити актина глубже внедряются в диск А, так что зона Н сокращается и диск I сужается, по мере того как концы толстых нитей миозина приближаются к пластинке Z. Физико-химический механизм этого скольжения нитей еще не ясен; возможно, что мостики между ними разрываются, а затем образуются вновь, несколько сместившись по длине нити. Для образования новых мостиков — поперечных соединений между толстыми и тонкими нитями,— возможно, используется энергия макроэргических фосфатных связей.

Когда мышца сокращается, она становится короче и толще, но общий объем ее остается прежним. Это было показано экспериментально: отпрепарированную мышцу помещали в стеклянный сосуд с узким горлышком и наполняли сосуд водой; когда после этого путем раздражения электрическими импульсами мышцу заставляли сокращаться и расслабляться, никакого изменения уровня воды в горлышке сосуда не происходило.

<<< Типы мышечного сокращения ·

· Сердечная мышца и гладкие мышцы >>>

Наверх