Мышечная ткань составляет 40-42% от массы тела. Основная функция мышц - обеспечивать подвижность путем сокращения и последующего расслабления. При сокращении мышц осуществляется работа, связанная с превращением химической энергии в механическую.

Обычно принято различать три типа мышечной ткани: скелетную мускулатуру, сердечную мышцу и гладкую мускулатуру.

Как известно, существует также деление на гладкие и поперечнополосатые мышцы. К поперечнополосатым мышцам, помимо скелетных, относятся также мышцы языка и верхней трети пищевода, внешние мышцы глазного яблока и некоторые другие. В морфологическом отношении миoкард относится к поперечно-полосатой мускулатуре, но по ряду других признаков он занимает промежуточное положение между гладкими и поперечно-полосатыми мышцами.

МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПОПЕРЕЧНО-ПОЛОСАТОЙ МЫШЦЫ

Поперечно-полосатая мышца состоит из многочисленных удлиненных волокон или мышечных клеток. Выделяют белые и красные мышечные волокна. Белые мышечные волокна отличаются более высоким содержанием миофибрилл и в соответствии с этим способностью к более быстрым сокращениям. В красных содержание миофибрилл относительно меньше, а саркоплазмы больше. Cвое название красные волокна получили благодаря высокому содержанию в них миоглобина. Красные мышечные волокна отличаются более выраженным тоническим характером сокращения. У человека белые и красные волокна встречаются обычно вместе в одной и той же мышце.

Двигательные нервы входят в различных точках в мышечное волокно и передают ему электрический импульс, вызывающий сокращение.

Мышечное волокно обычно рассматривают как многоядерную клетку гигантских размеров, покрытую эластичной оболочкой - сарколеммой (рис. 139). Диаметр функционально зрелого поперечнополосатого мышечного волокна обычно составляет от 10 до 100 мкм, а длина волокна часто соответствует длине мышцы.

В каждом мышечном волокне по длине его в полужидкой саркоплазме расположено, нередко в форме пучков, множество нитевидных образований - миофибрилл (обычно толщиной менее 1 мкм), обладающих, как и все волокно в целом, поперечной исчерченностью. Поперечно-полосатая исчерченность волокна, зависящая от оптической неоднородности белковых веществ, локализованных во всех миофибриллах на одном уровне, легко выявляется при исследовании волокон скелетных мышц в поляризационном или фазово-контрастном микроскопе.

В саркоплазме мышечных волокон обнаруживается и ряд других структур: митохондрии, микросомы (рибосомы), трубочки и цистерны саркоплазматического ретикулума, различные вакуоли, глыбки гликогена и включения липидов, играющие роль запасных энергетических материалов, и т. д. (см. рис. 139).

Повторяющимся элементом поперечно-полосатой миофибриллы является саркомер - участок миофибриллы, границами которого служат узкие Z-линии. Каждая миофибрилла состоит из нескольких сот саркомеров. Средняя длина саркомера 2,5-3,0 мкм. В середине саркомера находится зона протяженностью 1,5-1,6 мкм, темная в фазово-контрастном микроскопе и обнаруживающая в поляризованном свете сильное двойное лучепреломление; ее принято называть диском А (анизотропный диск). В центре диска А расположена линия М, которую можно наблюдать только в электронном микроскопе. Среднюю часть диска А занимает зона Н более слабого двойного лучепреломления. Наконец, существуют изотропные диски, или диски I, с очень слабым двойным лучепреломлением, в фазово-контрастном микроскопе они кажутся более светлыми, чем диски А. Длина дисков I около 1 мкм. Каждый из них разделен на две равные половины Z-мембраной, или Z-линией.

Согласно современным представлениям, в дисках А расположены толстые нити, состоящие главным образом из белка миозина, и тонкие нити, состоящие, как правило, из второго компонента актомиозиновой системы - белка актина. Тонкие (актиновые) нити начинаются в пределах каждого саркомера у Z-линии, тянутся через диск I, проникают в диск А и прерываются в области зоны Н (рис. 140).

При исследовании тонких срезов мышц под электронным микроскопом было обнаружено, что белковые нити расположены строго упорядоченным образом. Толстые нити диаметром 12-16 нм и длиной примерно 1,5 мкм уложены в форме шестиугольника диаметром 40-50 нм и проходят через весь диск А. Между этими толстыми нитями проходят тонкие нити диаметром 8 нм, простираясь от Z-линии на расстояние около 1 мкм. Изучение мышцы в состоянии сокращения показало, что диски I в ней почти исчезают, а область перекрывания толстых и тонких нитей увеличивается (в скелетной мышце в состоянии сокращения саркомер укорачивается до ~1,7-1,8 мкм).

По данным Хаксли и Хэнсон, при сокращении миофибрилл одна система нитей проникает в другую, т. е. нити начинают как бы скользить друг по другу, что и является причиной мышечного сокращения.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОПЕРЕЧНО-ПОЛОСАТОЙ МЫШЦЫ

В мышечной ткани взрослых животных и человека содержится от 72 до 80% воды. Около 20-28% от массы мышцы приходится на долю сухого остатка, главным образом белков. Помимо белков, в состав сухого остатка входят гликоген и другие углеводы, различные липиды, экстрактивные азотсодержащие вещества, соли органических и неорганических кислот и другие химические соединения (табл. 59).

Мышечные белки

Впервые А. Я. Данилевский (1881) разделил экстрагируемые из мышц белки на три класса: растворимые в воде, экстрагируемые 8-12% раствором хлорида аммония и белки, извлекаемые разбавленными растворами кислот и щелочей. В настоящее время белки мышечной ткани делят на три основные группы: саркоплазматические белки, миофибриллярные белки, белки стромы. На долю первых приходится около 35%, вторых - 45% и третьих - 20% всего мышечного белка. Эти группы белков резко отличаются друг от друга по растворимости в воде и солевых средах с различной ионной силой.

Белки, входящие в состав с а р к о п л а з м ы, принадлежат к числу протеинов, растворимых в солевых средах с низкой ионной силой. Принятое ранее подразделение сарко-плазматических белков на миоген, глобулин X, миоальбумин и белки-пигменты в значительной мере утратило смысл, поскольку существование глобулина X и миогена как индивидуальных белков в настоящее время отрицается. Установлено, что глобулин X представляет собой смесь различных белковых веществ со свойствами глобулинов. Термин "миоген" также является собирательным понятием. В частности, в состав белков группы миогена входит ряд протеинов, наделенных ферментативной активностью, например ферменты гликолиза. К числу сарко-плазматических белков относятся также дыхательный пигмент миоглобин и разнообразные белки-ферменты, локализованные главным образом в митохондриях и катализирующие процессы тканевого дыхания, окислительного фосфорилирования, а также многие стороны азотистого и липидного обменов. Недавно была открыта группа саркоплазматических белков - парвальбумины, которые способны связывать ионы кальция. Однако их физиологическая роль остается еще неясной.

К группе миофибриллярных белков относятся миозин, актин и актомиозин - белки, растворимые в солевых средах с высокой ионной силой, а также так называемые регуляторные белки: тропомиозин, тропонин, α- и β-актинин, образующие в мышце с актомиозином единый комплекс. Перечисленные миофибриллярные белки тесно связаны с сократительной функцией мышц.

Миозин (~50-55% от сухой массы миофибрилл). Представление о миозине, как главном белке миофибрилл, сложилось в результате работ А. Я. Данилевского, Фюрта, Вебера и ряда других исследователей. Однако всеобщее внимание к миозину было привлечено лишь после опубликования работ В.А. Энгельгардта и М.Н. Любимовой (1939-1942), в которых впервые было показано, что миозин обладает АТФазной активностью, т. е. способностью катализировать расщепление АТФ на АДФ и Н₃РО₄. Химическая энергия АТФ, освобождающаяся в ходе данной ферментативной реакции, превращается в механическую энергию сокращающейся мышцы. Молекулярная масса миозина скелетных мышц около 500000 (для миозина кролика - 470 000).

Молекула миозина (рис. 141) сильно вытянутой формы, имеет длину 150 нм. Она может быть расщеплена без разрыва ковалентных связей на субъединицы: две тяжелые полипептидные цепи с отн.мол.м. 205 000-210 000 и несколько коротких легких цепей, отн.мол.м. которых составляет около 20000. Тяжелые цепи образуют длинную закрученную α-спираль ("хвост" молекулы), конец каждой тяжелой цепи совместно с легкими цепями создает глобулу ("головку" молекулы), способную соединяться с актином. Эти головки выдаются из основного стержня молекулы. Недавно было показано, что легкие цепи, находящиеся в "головке" миозиновой молекулы и принимающие участие в проявлении АТФ-азной активности миозина, гетерогенны по своему составу. Количество легких цепей в молекуле миозина у различных видов животных и в разных типах мышц неодинаково.

Кратковременная обработка трипсином расщепляет молекулу миозина на два фрагмента. Из хвостового участка (С-концевой участок молекулы) образуется легкий меромиозин (ЛММ)-фрагмент длиной 90 нм, а из остальной части, включающей "головки", - тяжелый меромиозин (ТММ). Тяжелый меромиозин можно расщепить далее путем более длительной обработки трипсином, в результате чего получается один S2-фрагмент длиной 40 нм с отн. мол. м. ~ 62 000 и два S1-фрагмента с отн. мол. м. ~ 110 000, представляющие собой "головки".

Толстые нити (толстые миофиламенты) в саркомере надо понимать как образование, полученное путем соединения большого числа определенным образом ориентированных в пространстве молекул миозина (рис. 142).

Актин (~20% от сухой массы миофибрилл) был открыт Штраубом в 1942 г. Известны две формы актина: глобулярный (Г-актин) и фибриллярный (Ф-актин) актин. Молекула Г-актина с отн.мол.м. 42 000 состоит из одной полипептидной цепочки, в образовании которой принимает участие 374 аминокислотных остатков. Ф-актин является продуктом полимеризации Г-актина и имеет структуру двухцепочечной спирали. Детали этой структуры еще не вполне выяснены.

Актомиозин. При мышечном сокращении миозин вступает в соединение с Ф-актином, образуя новый белковый комплекс - актомиозин. Последний, как естественный, так и искусственный, т. е. полученный путем соединения in vitro высокоочищенных препаратов миозина и Ф-актина, обладает АТФ-азной активностью. Однако АТФ-азная активность актомиозина отличается от АТФ-азной активности миозина. Фермент актомиозин активируется ионами магния и ингибируется этилендиаминтетраацетатом (ЭДТА) и высокой концентрацией АТФ, тогда как миозиновая АТФ-аза ингибируется Mg²⁺, активируется ЭДТА и не ингибируется высокой концентрацией АТФ. Оптимальные значения pH для обоих ферментов также различны.

Как уже отмечалось, кроме рассмотренных основных белков, в миофибриллах содержатся также тропомиозин, тропонин и некоторые другие регуляторные белки. Тропомиозин был открыт Бейли в 1946 г. Молекула тропомиозина состоит из двух α-спиралей и имеет вид стержня длиной 40 нм, его отн.мол.м. 65000. На долю тропомиозина приходится около 4-7% всех белков миофибрилл.

Тропонин - глобулярный белок, открытый Эбаси в 1963 г., его мол.м. ~ 80 000. В скелетных мышцах взрослых животных и человека тропонин составляет лишь около 2% от всех миофибриллярных белков. В его состав входят три субъединицы (TN-I, TN-C и TN-T). Тропонин, соединяясь с тропомиозином, образует комплекс, названный нативным тропомиозином. Этот комплекс прикрепляется к актиновым филаментам и придает актомиозину скелетных мышц позвоночных чувствительность к ионам кальция (рис. 143).

Взаимодействие тропомиозин-тропонинового комплекса с актиновым филаментом можно изобразить также в виде схемы.

В последнее время показано, что тропонин (его субъединицы TN-T и TN-I) способен фосфорилироваться при участии цАМФ-зависимых протеинкиназ. Вопрос о том, имеет ли отношение фосфорилирование тропонина in vivo к регуляции мышечного сокращения, остается пока открытым.

Белки стромы в поперечнополосатой мускулатуре представлены в основном коллагеном (и его дериватами) и эластином. Известно, что строма скелетных мышц, остающаяся после исчерпывающей экстракции мышечной кашицы солевыми растворами с высокой ионной силой, состоит в значительной мере из соединительнотканных элементов стенок сосудов и нервов, а также сарколеммы и некоторых других структур.

Небелковые азотистые экстрактивные вещества

В скелетных мышцах содержится ряд важных азотистых экстрактивных веществ: адениновые нуклеотиды (АТФ, АДФ и АМФ), нуклеотиды неаденинового ряда, креатинфосфат, креатин, креатинин, карнозин, анзерин, свободные аминокислоты и др. Концентрация адениновых нуклеотидов в скелетной мускулатуре кролика (в мкмоль на 1 г сырой массы ткани) составляет: АТФ - 4,43, АДФ - 0,81; АМФ - 0,93. Количество нуклеотидов неаденинового ряда (ГТФ, УТФ, ЦТФ и др.) в мышечной ткани по сравнению с концентрацией адениновых нуклеотидов очень мало.

На долю азота креатина и креатинфосфата приходится до 60% небелкового азота мышц [Фердман Д. Л., 1966]. Креатинфосфат и креатин относятся к тем азотистым экстрактивным веществам мышц, которые участвуют в химических процессах, связанных с мышечным сокращением.

Напомним, что синтез креатина в основном происходит в печени, откуда он с током крови поступает в мышечную ткань. Здесь креатин, фосфорилируясь, превращается в креатинфосфат. В синтезе креатина участвуют три аминокислоты: аргинин, глицин и метионин. На схеме изображены основные этапы образования креатина и креатинфосфата.

К числу азотистых веществ мышечной ткани принадлежат и имидазолсодержащие дипептиды - карнозин и анзерин. Карнозин был открыт В. С. Гулевичем в 1900 г. Метилированное производное карнозина - анзерин был обнаружен в мышечной ткани несколько позже.

Карнозин и анзерин - специфические азотистые вещества скелетной мускулатуры позвоночных - увеличивают амплитуду мышечного сокращения, предварительно сниженную утомлением. Принято считать, что имидазолсодержащие дипептиды не влияют непосредственно на сократительный аппарат, но увеличивают эффективность работы ионных насосов мышечной клетки (Северин С. Е.).

Из свободных аминокислот в мышцах наиболее высокая концентрация глутаминовой кислоты (до 1,2 г/кг) и ее амида - глутамина (0,8-1,0 г/кг). В состав различных клеточных мембран мышечной ткани входит ряд фосфатидов: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и др. Кроме того, фосфатиды принимают участие в обменных процессах, в частности, в качестве субстратов тканевого дыхания. Другие азотсодержащие вещества: мочевина, мочевая кислота, аденин, гуанин, ксантин и гипоксантин - встречаются в мышечной ткани в небольшом количестве и, как правило, являются либо промежуточными, либо конечными продуктами азотистого обмена.

Безазотистые вещества мышц

Одним из основных представителей безазотистых органических веществ мышечной ткани является гликоген; его концентрация колеблется от 0,3% до 2% и выше. На долю других представителей углеводов приходятся десятые и сотые доли процента. В мышцах находят лишь следы свободной глюкозы и очень мало гексозофосфатов. В процессе метаболизма глюкозы, а также аминокислот в мышечной ткани образуются молочная, пировиноградная кислоты и много других карбоновых кислот. В мышечной ткани обнаруживаются также в том или ином количестве нейтральные жиры и холестерин.

Состав неорганических солей в мышцах разнообразен. Среди катионов наибольшую концентрацию имеют калий и натрий. Калий сосредоточен главным образом внутри мышечных волокон, а натрий - преимущественно в межклеточном веществе. Значительно меньше в мышцах магния, кальция и железа. В мышечной ткани содержится ряд микроэлементов: кобальт, алюминий, никель, бор, цинк и др.

Некоторые особенности химического состава
сердечной мышцы и гладкой мускулатуры

Сердечная мышца по содержанию ряда химических соединений занимает промежуточное положение между скелетной мускулатурой и гладкими мышцами. Так, общее содержание белкового азота в скелетных мышцах кролика 30-31 мг/г, а в гладкой мускулатуре (миометрий) - до 20,3 мг/г ткани. В сердечной мышце и особенно в гладкой мускулатуре значительно меньше миофибриллярных белков, чем в скелетной мышце. Общее содержание миофибриллярных белков в гладкой мускулатуре желудка примерно в 2 раза ниже, чем в скелетных мышцах. Концентрация белков стромы в гладкой мышце и миокарде выше, чем в скелетной мускулатуре. Известно, что миозин, тропомиозин и тропонин сердечной мышцы и гладкой мускулатуры заметно отличаются по своим физико-химическим свойствам от соответствующих белков скелетной мускулатуры. Отмечены определенные особенности и во фракционном составе саркоплазматических белков. Саркоплазма гладкой мускулатуры и миокарда в процентном отношении содержит больше миоальбумина, чем саркоплазма скелетной мускулатуры.

Содержание АТФ в сердечной мышце (2,60 мкмоль на 1 г ткани) ниже, чем в скелетной (4,43 мкмоль), и выше, чем в гладкой мускулатуре (1,38 мкмоль). По содержанию гликогена сердечная мышца также занимает промежуточное положение между скелетной и гладкой мускулатурой. По данным С. Е. Северина (1965), как в сердечной, так и в гладкой мускулатуре обнаруживаются лишь следы анзерина и карнозина (не выше 0,1 г на 1 кг сырой массы).

Имеется определенная зависимость между характером деятельности мышц и содержанием фосфолипидов. Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче фосфолипидами (табл. 60), при окислении которых, по-видимому, вырабатывается значительная часть энергии, необходимой для сокращения миокарда.

Изменение химического состава мышечной ткани в онтогенезе

Эмбриональная мышечная ткань по своему химическому составу значительно отличается от скелетной мускулатуры взрослых особей. В мышцах эмбрионов содержится больше воды, чем в функционально зрелой мускулатуре. Соответственно общее содержание белка в мышечной ткани эмбрионов, считая на сырую ткань, оказывается более низким, чем в мышцах животных того же вида в постнатальном периоде развития. По сравнению с мышцами взрослого организма в функционально незрелой мышце ниже, содержание миофибриллярных белков (миозина и актомиозина) и выше - белков стромы, миоальбумина, а также белков группы глобулина X. По мере развития плода количество миофибриллярных белков увеличивается и возрастает АТФ-азная активность в мышечных экстрактах.

Для эмбриональной мышечной ткани характерно высокое содержание нуклеопротеидов, а также РНК и ДНК. По мере развития эмбриона количество нуклеопротеидов и нуклеиновых кислот в мышечной ткани быстро уменьшается. Макроэргических соединений (АТФ и креатинфосфат) в функционально незрелой мышце значительно меньше, чем в мышцах зрелых особей. Имидазолсодержащие дипептиды (анзерин и карнозин) появляются в мышечной ткани в строго определенный период онтогенеза. Время появления этих дипептидов тесно связано с мышечной функцией и совпадает с формированием рефлекторной дуги, обеспечивающей возможность двигательного рефлекса, появление Са²⁺-чувствительности актомиозина и началом работы ионных насосов. Имеются также характерные особенности в ферментных и изоферментных спектрах эмбриональной мышечной ткани. Так, установлено, что в ходе онтогенеза изменяется изоферментный спектр лактатдегидрогеназы. В экстрактах из скелетных мышц 3-5-месячного эмбриона на долю изоферментов ЛДГ₃ и ЛДГ₂ приходится соответственно 40% и 31% от общей активности лактатдегидрогеназы. В процессе эмбрионального развития в скелетной мускулатуре происходит постепенное возрастание активности катодных и снижения активности анодных изоферментов ЛДГ, так что у взрослых особей в скелетнйй мускулатуре наибольшей активностью обладают уже изоферменты ЛДГ₅ и ЛДГ₄. В процессе развития плода изменяется и изоферментный спектр гексокиназы в мышечной ткани; повышается активность изофермента ГК-I и снижается активность изофермента ГК-Н. Все приведенные данные об изменении химического состава мышечной ткани в онтогенезе относятся почти исключительно к скелетной мускулатуре.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ МЫШЦ

Мышечный аппарат человека и животных характеризуется полифункциональностью. Однако основной функцией мышц является осуществление двигательного акта, т. е. сокращение и расслабление. При сокращении мышц осуществляется работа, связанная с превращением химической энергии в механическую.

Источники энергии мышечной деятельности

В настоящее время принято считать, что процессом, непосредственно связанным с работающим механизмом поперечнополосатого мышечного волокна, является распад АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата. Возникает вопрос: каким образом мышечная клетка может обеспечить свой сократительный аппарат достаточным количеством энергии в форме АТФ? Точнее: каким образом в процессе мышечной деятельности происходит непрерывный ресинтез этого макроэрга?

Прежде всего ресинтез АТФ обеспечивается трансфосфорилированием АДФ с креатинфосфатом. Данная реакция катализируется ферментом креатинкиназой:

Креатинкиназный путь ресинтеза АТФ является чрезвычайно быстрым и максимально эффективным (за счет каждой молекулы креатинфосфата образуется молекула АТФ). Именно поэтому долгое время не удавалось установить снижение концентрации АТФ и соответственно повышение концентрации АДФ даже при достаточно продолжительном тетанусе. Лишь применив специфический ингибитор креатинкиназы (1-фтор-2,4-динитрофенол), а также агенты, препятствующие оксидативному превращению АДФ в АТФ, Кейн и соавт. (1962) смогли продемонстрировать прямой распад АТФ с одновременным приростом неорганического фосфата и АДФ при одиночном сокращении изолированной мышцы лягушки.

Некоторое количество АТФ может ресинтезироваться в ходе аденилаткиназной (миокиназной) реакции:

Запасы креатинфосфата в мышце невелики, а доступность энергии креатинфосфата имеет ценность для работающей мышцы, только в том случае, если расход его постоянно возмещается синтезом АТФ в процессе метаболизма. Для любой ткани, в том числе и мышечной, известно два фундаментальных биохимических процесса, в ходе которых регенерируются богатые энергией фосфорные соединения. Один из этих процессов - гликолиз, другой - тканевое дыхание. Наиболее важным и эффективным из них является тканевое дыхание. При достаточном снабжении кислородом мышца, несмотря на анаэробный механизм сокращения, в конечном итоге работает за счет энергии, образующейся при окислении (в цикле Кребса) как продуктов распада углеводов, так и ряда других субстратов тканевого дыхания, в частности жирных кислот, а также ацетата и ацетоацетата.

В последнее время появились данные, доказывающие, что креатинфосфат в мышечной ткани (в частности, в сердечной мышце) способен выполнять не только роль как бы депо легкомобилизируемых мaкроэргических фосфатных групп, но и играть также роль транспортной формы макроэргических фосфатных связей, образующихся в процессе тканевого дыхания и cвязанного с ним окислительного фосфорилирования. Предложена следующая схема (рис. 144) переноса энергии из митохондрий в цитоплазму клетки миокарда [Сакс В. А. и др., 1975]; АТФ, синтезированный в матриксе митохондрий, переносится через внутреннюю мембрану с участием специфической АТФ-АДФ-транслоказы на активный центр митохондриального изофермента креатинкиназы, который расположен на внешней стороне внутренней мембраны; в межмембранном пространстве (в присутствии ионов магния) при наличии в среде креатина образуется равновесный тройной ферментсубстратный комплекс креатин-креатинкиназа-АТФ-Mg²⁺, который затем распадается с образованием, креатинфосфата и АДФ-Mg²⁺. Креатинфосфат диффундирует в цитоплазму, где используется в миофибриллярной креатинкиназной реакции для рефосфорилирования АДФ, образовавшегося при сокращении. Высказываются предположения, что не только в сердечной мышце, но и в скелетной мускулатуре имеет место подобный путь транспорта энергии из митохондрий в миофибриллы.

При работе умеренной интенсивности мышца может покрывать свои энергетические затраты за счет аэробного метаболизма. Однако при больших нагрузках, когда возможность снабжения кислородом отстает от потребности в нем, мышца вынуждена использовать гликолитический путь снабжения энергией. При интенсивной мышечной работе скорость расщепления гликогена или глюкозы с образованием молочной кислоты увеличивается в сотни раз. Соответственно содержание молочной кислоты в мышечной ткани может повышаться до 1-1,2 г/кг и выше [Яковлев Н. Н., 1974]. Последняя с током крови в значительном количестве поступает в печень, где ресинтезируется в глюкозу и гликоген за счет энергии окислительных процессов (см. Глюконеогенез). Перечисленные механизмы ресинтеза АТФ при мышечной деятельности включаются в строго определенной последовательности. Наиболее экстренным является креатинкиназный механизм, и лишь примерно через 20 с максимально интенсивной работы начинается усиление гликолиза, интенсивность которого достигает максимума через 40-80 с. При работе более длительной, а следовательно, и менее интенсивной, все большее значение приобретает аэробный путь ресинтеза АТФ.

Содержание АТФ и креатинфосфата в сердечной мышце ниже, чем в скелетной мускулатуре, а расход АТФ велик, поэтому ресинтез АТФ в миокарде должен проходить намного интенсивнее, чем в скелетной мускулатуре. Для сердечной мышцы теплокровных животных и человека основным путем образования богатых энергией фосфорных соединений является путь окислительного фосфорилирования, связанный с поглощением кислорода. Регенерация АТФ в процессе анаэробного расщепления углеводов (гликолиз) в сердце человека практического значения не имеет. Именно поэтому сердечная мышца очень чувствительна к недостатку кислорода. Характерной особенностью обмена веществ сердечной мышцы по сравнению со скелетной мускулатурой является также то, что аэробное окисление веществ неуглеводной природы при работе сердечной мышцы имеет большее значение, чем при сокращении скелетной мышцы. Только 30-35% кислорода, поглощаемого сердцем в норме, расходуется на окисление углеводов и продуктов их превращения. Главным субстратом дыхания в сердечной мышце являются жирные кислоты. Окисление неуглеводных веществ обеспечивает около 65-70% потребности миокарда в энергии. Из свободных жирных кислот в сердечной мышце особенно легко подвергается окислению олеиновая кислота.

Механизм мышечного сокращения

Теперь рассмотрим, к чему же сводятся представления о механизме попеременного сокращения и расслабления мышц.

Установлено, что миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться в присутствии данного макроэрга лишь при наличии в среде определенных концентраций ионов кальция. Наибольшая сократительная активность наблюдается при концентрации Са²⁺ около 10^-6-10^-5 М. При понижении концентрации ионов кальция до 10^-7 М или ниже мышечные волокна теряют способность к укорочению и развитию напряжения в присутствии АТФ.

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

Связывание ионов кальция разветвленной сетью трубочек и цистерн саркоплазматического ретикулума не является простой адсорбцией. Это активный физиологический процесс, который осуществляется за счет энергии, освобождающейся при расщеплении АТФ Са²⁺-зависимой АТФ-азой саркоплазматического ретикулума. При этом наблюдается весьма своеобразная картина: скорость выкачивания ионов кальция из межфибриллярного пространства стимулируется ионами кальция. В целом этот механизм получил название "кальциевой помпы" 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 кальциевого насоса концентрации ионов кальция в среде, окружающей миофибриллы, ниже того предела, при котором еще возможно проявление АТФ-азной активности и сократимости актомиозиновых структур волокна. Быстрое сокращение мышечного волокна при его раздражении с нерва (или электрическим током) является результатом внезапного изменения проницаемости мембран и как следствие выхода из цистерн и трубочек саркоплазмэтического ретикулума и Т-системы некоторого количества ионов кальция в саркоплазму. Более исчерпывающие данные о проведении волны деполяризации, функционировании Т-системы и механизме передачи возбуждения на структуры саркоплазмaтического ретикулума см. в кн.: Иванов И. И., Коровкин Б. Ф., Пинаев Г. П. Биохимия мышц. - М.: Медицина, 1977; Болдырев А. А. Биохимические аспекты электромеханического сопряжения. - М. : Изд-во МГУ, 1977.

Как уже отмечалось, "чувствительность" актомиозиновой системы к ионам кальция (т.е. потеря актомиозином способности расщеплять АТФ и сокращаться в присутствии АТФ при снижении концентрации ионов кальция до 10^-7 М) обусловлена присутствием в контрактильной системе (на нитях Ф-актинa) белка тропонина, связанного с тропомиозином. В тропонин-тропомиозиновом комплексе ионы кальция связываются именно с тропонином. При этом в молекуле тропонина 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⁺- АТФ-азы.

В продвижении актиновых нитей вдоль миозиновых, по данным Хаксли, важную роль играют временно замыкающиеся между нитями поперечные мостики, которые являются головками миозиновых молекул.

Как видно на рис. 145, когда мышца находится в состоянии покоя, головки миозина содержат АТФ (рис. 145, а). После поступления в мышцу нервного импульса по саркоплазматической сети проходит волна возбуждения, Са²⁺ освобождается и в это время срабатывает мостиковый механизм, миозиновая головка присоединяется к соответствующему центру актиновой нити (нити Ф-актина) под углом 90° (рис. 145, б). Это происходит за счет энергии АТФ. Затем наступает спонтанный поворот головки (рис. 145, г) на 45°, развивается натяжение и происходит продвижение актиновой нити на один элементарный шаг (~ 11 нм).

Далее в результате присоединения новой порции АТФ к поперечному мостику наблюдается диссоциация актомиозина на миозин и актин (рис. 145, в), т. е. разъединение миозиновых и актиновых нитей, и одновременно начинается новый акт зарядки (фосфорилирования) свободного миозина путем взаимодействия его с АТФ в присутствии ионов Mg (см. рис. 145,а). По-видимому, чем больше число мостиков прикреплено в данный момент к актиновым нитям, тем больше сила мышечного сокращения.

Наконец, если возбуждение прекращается, содержание ионов кальция в саркоплазме снижается ("кальциевый насос"), то циклы прикрепление-освобождение прекращаются, т. е. головки миозиновых нитей перестают прикрепляться к актиновым нитям. При этом в присутствии АТФ мышца расслабляется и ее длина достигает исходной. Если же 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.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МЫШЦАХ ПРИ ПАТОЛОГИИ

Общим для большинства заболеваний мышц (прогрессирующие мышечные дистрофии, атрофия мышц в результате их денервации, тенотомия, полимиозит, некоторые авитаминозы и т. д.) является резкое снижение в мышцах содержания миофибриллярных белков, возрастание концентрации белков стромы и некоторых саркоплазматических белков, в том числе миоальбумина. Наряду с изменениями фракционного состава мышечных белков при поражениях мышц наблюдается снижение концентрации АТФ и креатинфосфата. Например, через 12 дней после денервации содержание АТФ в денервированной икроножной мышце кролика снижается более чем в 2 раза. Отмечается также снижение АТФ-азной активности контрактильных белков (миозина), уменьшение количества имидазолсодержащих дипептидов.

При прогрессирующих мышечных дистрофиях и других заболеваниях, связанных с распадом мышечной ткани, часто отмечаются сдвиги в фосфолипидном составе мышц: значительно снижается содержание фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина, концентрация же сфингомиелина и лизофосфатидилхолина повышается. До сих пор истинные механизмы изменения фосфолипидного состава мышечной ткани при патологии не выяснены, неизвестна также роль этих сдвигов в патогенезе мышечных дистрофий.

Для многих форм патологии мышечной ткани характерно нарушение метаболизма креатина и его усиленное выделение с мочой (креатинурия). Несмотря на многочисленные исследования и обилие фактического материала, вопрос о причинах креатинурии при заболеваниях мышц не может еще считаться окончательно решенным.

Принято считать, что креатинурия у больных миопатией является результатом нарушения в скелетной мускулатуре процессов фиксации (удержания) креатина и его фосфорилирования.

Если нарушен процесс синтеза креатинфосфата, то не образуется и креатинин; содержание последнего в моче резко снижается. В результате креатинурии и нарушения синтеза креатинина резко повышается креатиновый показатель мочи [Фердман Д. Л., 1957]. Данный механизм представлен на рис. 146.

При патологии мышечной ткани можно наблюдать определенную закономерность в изменениях активности ферментов в мышцах: уменьшается активность ферментов, локализованных в саркоплазме; незначительно изменяется активность ферментов, связанных с митохондриями; заметно возрастает активность лизосомальных ферментов. Наконец, показано, что при многих заболеваниях мышечной системы наступают сдвиги в системе циклического аденозинмонофосфата (цАМФ): снижается содержание цАМФ в мышечной ткани, повышается активность фосфодиэстеразы и нарушается способность аденилатциклазы активироваться под влиянием адреналина и фторида натрия.

Нарушение метаболизма сердечной мышцы при ишемической болезни сердца. Ишемизированный миокард характеризуется сниженным окислительным фосфорилированием и повышенным анаэробным обменом. Раннее увеличение гликогенолиза и гликолиза за счет имеющегося в сердечной мышце гликогена и за счет глюкозы, усиленно поглощаемой миокардом в начальной стадии ишемии, происходит в результате повышения внутриклеточной концентрации катехоламинов и цАМФ, что в свою очередь стимулирует образование активной формы фосфорилазы - фосфорилазы "а" - фермента, катализирующего распад гликогена, и активацию фосфофруктокиназы - ключевого фермента гликолиза. Однако даже максимально усиленный анаэробный метаболизм не способен длительно защищать уже поврежденный гипоксический миокард. Очень скоро запасы гликогена истощаются, гликолиз замедляется вследствие внутриклеточного ацидоза, который ингибирует фосфофруктокиназу.

Содержание АТФ и креатинфосфата в клетке резко снижается в результате нарушения окислительного фосфорилирования в митохондриях. Одно из первых проявлений этого состояния - нарушение мембранной проницаемости. Нарушение целостности мембран приводит к выходу ионов, в том числе ионов калия, а также ферментов. Дефицит энергетических ресурсов и нарушение ионного состава, существенные изменения различных мембранных "резервуаров", обеспечивающих контроль за уровнем внутриклеточного кальция, обусловливают торможение функциональной активности мышечных клеток и их постепенную гибель. В этот же период выявляются изменения фракционного состава белков миокарда (резкое снижение содержания миофибриллярных белков и накопление белков стромы). Нарушение обмена углеводов, белков и липидов (свободные жирные кислоты не окисляются, а преимущественно включаются в триглицериды) при инфаркте миокарда находит отражение в жировой инфильтрации сердечной мышцы.

Размер повреждения миокарда при возникновении ишемии, падение активности ферментов в сердечной мышце и возрастание активности соответствующих ферментов в сыворотке крови (например, креатинкиназы) в значительной мере коррелируют друг с другом. Следует признать, что в диагностике инфаркта миокарда определение активности креатинкиназы, аспартат-аминотрансферазы и лактатдегидрогеназы в сыворотке крови - наиболее чувствительные тесты. Повышение активности указанных ферментов, особенно креатинкиназы, является постоянным и наиболее высоким. Важно также исследование в сыворотке крови изоферментных спектров креатинкиназы (повышение активности изофермента MB) и лактатдегидрогеназы (увеличение активности изоферментов ЛДГ₁ и ЛДГ₂).