Biohemija mišića. Mehanizam kontrakcije skeletnih mišića Biohemija mehanizma kontrakcije mišića

Razmotrite na šta se svode ideje o mehanizmu naizmjenične kontrakcije i opuštanja mišića. Trenutno je prihvaćeno da se biohemijski ciklus mišićne kontrakcije sastoji od 5 faza (slika 20.8):

1) "glava" miozina može hidrolizirati ATP u ADP i H 3 PO 4 (P i), ali ne osigurava oslobađanje produkata hidrolize. Stoga je ovaj proces više stehiometrijski nego katalitičke prirode (vidi sliku 20.8, a);

Prema savremenim shvatanjima, u mišiću u mirovanju (u miofibrilima i interfibrilarnom prostoru) koncentracija Ca 2+ jona se održava ispod granične vrednosti kao rezultat njihovog vezivanja strukturama (tubulima i vezikulama) sarkoplazmatskog retikuluma i t. -nazvan T-sistem uz učešće posebnog Ca 2+ - vezujućeg proteina, nazvanog kalsekvestrin, koji je deo ovih struktura.

Mogućnost da živi mišić bude u relaksiranom stanju u prisustvu dovoljno visoke koncentracije ATP-a u njemu objašnjava se smanjenjem koncentracije Ca 2+ iona u okolini koja okružuje miofibrile kao rezultat djelovanja kalcija. pumpa, ispod granice na kojoj je još moguće ispoljavanje aktivnosti ATPaze i kontraktilnost aktomiozinskih struktura.vlakna. Brza kontrakcija mišićnog vlakna kada je stimulirana živcem (ili električnom strujom) rezultat je nagle promjene permeabilnosti membrana i, kao rezultat, oslobađanja određene količine Ca 2+ joni iz tankova i tubula sarkoplazmatskog retikuluma i T-sistema u sarkoplazmu.

Kao što je navedeno, “osjetljivost” aktomiozinskog sistema na ione Ca 2+ (tj. gubitak sposobnosti aktomiozina da cijepa ATP i skuplja se u prisustvu ATP-a kada se koncentracija Ca 2+ jona smanji na 10-7 M ) je zbog prisustva u kontraktilnom sistemu (na filamentima F-aktivnog)

Parna mašina može pretvoriti samo oko 10% toplotne energije dobijene sagorevanjem goriva u koristan rad; ostatak toplote se raspršuje. Mišići su, s druge strane, u stanju da iskoriste 20 do 40% hemijske energije molekula hrane, kao što je glukoza, za smanjenje. Ostatak energije se pretvara u toplinu, ali se ne gubi u potpunosti, već se djelomično koristi za održavanje tjelesne temperature. Ako osoba ne proizvodi mišićne kontrakcije, tada toplina koja se stvara u tijelu nije dovoljna da zagrije tijelo u hladnim uvjetima. Tada se mišići počinju nehotice kontrahirati (osoba "drhti"), a nastala toplina obnavlja i održava normalnu tjelesnu temperaturu.

Fiziolozi i biohemičari pokušavaju otkriti kako protoplazma može razviti vučnu silu više od jedne decenije, ali suština hemijskih i fizičkih procesa koji se dešavaju tokom mišićne kontrakcije i dalje ostaje više nagađanja nego utvrđene činjenice. Hemijska analiza pokazuje da je mišić 80% vode, dok suvi ostatak sadrži uglavnom proteine, kao i male količine masti i glikogena i dva jedinjenja koja sadrže fosfor: fosfokreatin i adenozin trifosfat (ATP). Pretpostavlja se da je stvarno kontraktilni dio mišićnog vlakna proteinski lanac, koji se skraćuje kao rezultat savijanja s približavanjem karika ili uklanjanja vode iz „unutrašnjih prostora“ proteinske molekule. U to su uključena dva proteina: miozin i aktin, koji se pojedinačno ne mogu kontrahirati, ali ako se pomešaju u epruveti i dodaju kalijum i ATP, onda sistem stiče sposobnost kontrakcije. Ova kontrakcija in vitro bila je jedno od najzanimljivijih otkrića ikada napravljenih u biohemiji.

Prvi korak u razotkrivanju misterije mišićne kontrakcije je da se analizom utvrdi koje se supstance konzumiraju u ovom procesu. Količina glikogena, kisika, fosfokreatina i ATP-a se smanjuje tijekom kontrakcije, dok se povećava količina ugljičnog dioksida, mliječne kiseline i anorganskog fosfata. Budući da se kisik troši i stvara ugljični dioksid, može se pretpostaviti da je redukcija povezana s nekom vrstom oksidativnog procesa. Ali ova oksidacija nije potrebna: mišić se može kontrahirati mnogo puta čak i kada je potpuno lišen kisika, ako je, na primjer, izoliran iz tijela i stavljen u atmosferu dušika. Međutim, takav se mišić umara brže od mišića koji se kontrahira u atmosferi kisika. Osim toga, naše disanje se ubrzava ne samo tokom mišićne napetosti, već i neko vrijeme nakon prestanka fizičkog rada. Ovo ukazuje da oksidacija očigledno nije povezana sa samom kontrakcijom mišića, već sa procesom oporavka nakon kontrakcije.

Nestanak glikogena i stvaranje mliječne kiseline su povezani, budući da je u nedostatku kisika količina stvorene mliječne kiseline točno jednaka količini glikogena koji nestaje. Budući da za razgradnju glikogena do mliječne kiseline nije potrebno prisustvo kisika i da je praćeno brzim oslobađanjem energije, jedno vrijeme se smatralo da ova reakcija direktno uzrokuje kontrakciju mišića. U prisustvu kisika, mišić oksidira oko 20% mliječne kiseline u ugljični dioksid i vodu i koristi energiju oslobođenu tokom ove oksidacije da pretvori preostalih 80% mliječne kiseline u glikogen. Tako postaje jasno zašto se mliječna kiselina ne akumulira u mišićima s dovoljno kisika i zašto se mišići brže zamaraju (umor je povezan s trošenjem zaliha glikogena i nakupljanjem mliječne kiseline), kontrahirajući se u nedostatku kisika.

Oko 1930. godine ustanovljeno je da se mišić otrovan jod acetatom (koji inhibira hemijske reakcije uključene u razgradnju glikogena do mliječne kiseline) još uvijek može kontrahirati, iako se može kontrahirati samo 60-70 puta, dok je mišić lišen kiseonika, smanjuje se 200 puta ili više. Ali činjenica da se uopće može kontrahirati u odsustvu glikolize pokazuje da glikoliza nije glavni izvor energije za kontrakciju.

Druga promjena koja se može otkriti hemijskim metodama tokom kontrakcije je cijepanje anorganskog fosfata iz fosfokreatina i ATP-a, praćeno oslobađanjem energije. Sada se vjeruje da služi kao direktan izvor energije za kontrakciju. Reakcije razmjene pomoću kojih se glukoza i druge tvari koriste za formiranje energetski bogatih fosfata (kao što je ATP) opisane su u Pogl. V. U mišićima, fosfokreatin služi kao rezervoar makroergijskih fosfatnih veza; ali njegova visokoenergetska fosfatna grupa može se koristiti za kontrakciju samo nakon što je prebačena u ADP kako bi se formirao ATP. Nakon mišićne kontrakcije, razlaganje glikogena do mliječne kiseline i oksidacija ove kiseline u reakcijama Krebsovog ciklusa daje energiju za resintezu ATP-a i fosfokreatina.

Dakle, kontrakcija mišića je povezana sa sljedećim hemijskim reakcijama: Miozin služi ne samo kao kontraktilni protein, već i kao enzim: može katalizirati razgradnju ATP-a na ADP i neorganski fosfat. Prenos makroergične fosfatne grupe sa ATP na kreatin katalizira enzim kreatin kinaza.

Kao gruba procjena, sama energija organskih fosfata mogla bi podržati maksimalnu kontrakciju mišića za samo nekoliko sekundi. Na njegov račun, čovjek je mogao pretrčati udaljenost od oko 50 m. Koristeći sve izvore energije koji su mu bili dostupni u nedostatku kisika, osoba je mogla nastaviti maksimalne mišićne kontrakcije 30-60 sekundi.

dug kiseonika. Izuzetno je važna činjenica da se stvarna kontrakcija mišića i djelomični naknadni oporavak odvijaju bez sudjelovanja kisika. Naši mišići često moraju obaviti mnogo posla u kratkom vremenu, a iako se ritam disanja i otkucaji srca povećavaju s fizičkim naporom, isporučeni kisik nije mogao biti dovoljan za ovaj posao. Pri vrlo velikom naporu, kao što je trka na 100 metara, glikogen se razlaže u mliječnu kiselinu brže nego što se mliječna kiselina može oksidirati, tako da se potonja akumulira. U takvim slučajevima se kaže da mišić ima dug kisika, koji se naknadno nadoknađuje kada brzo udahnemo povećanu količinu kisika, dovoljnu da oksidira dio mliječne kiseline i tako dobije energiju za resintezu glikogena iz ostatka mlečne kiseline. Drugim riječima, tokom kratkih perioda vrlo visoke mišićne aktivnosti, mišići koriste izvore energije koji ne zahtijevaju potrošnju kisika. Ali na kraju mišićnog rada, mišići i druga tkiva pokrivaju svoj dug za kiseonik, koristeći dodatne količine kiseonika za obnavljanje normalnih rezervi visokoenergetskih jedinjenja i glikogena. Prilikom trčanja na duge staze trkač može postići ravnotežu i nastaviti trčati "na drugi vjetar", pri čemu, zahvaljujući pojačanom radu pluća i srca, tkiva dobijaju dovoljno kisika da oksidiraju novonastalu mliječnu kiselinu, a time i dug kiseonika se ne povećava.

Umor. Ako se mišić, zbog ponovljene kontrakcije, iscrpljivanja zaliha organskih fosfata i glikogena, te nakupljanja mliječne kiseline, više ne može kontrahirati, onda se kaže da je mišić umoran. Glavni uzrok umora je nakupljanje mliječne kiseline, iako životinje osjećaju umor i prije nego što dođe do iscrpljivanja mišića.

Lokacija koja je najsklona umoru može se ustanoviti eksperimentalno seciranjem mišića zajedno s njegovim živcem i uzastopnim stimuliranjem živca električnim impulsima sve dok se mišić ne prestane kontrahirati. Ako se mišić tada direktno iritira postavljanjem elektroda na njega, može se ponovo dobiti energetski odgovor. Uz pomoć uređaja koji vam omogućava da otkrijete prolaz nervnih impulsa, možete pokazati da živac koji ide do mišića nije umoran: još uvijek je u stanju provoditi impulse. Zbog toga je spoj nerva sa mišićem sklon umoru, gdje nervni impulsi pobuđuju mišić, uzrokujući njegovo kontrakciju.

mehanizam mišićne kontrakcije. Elektronski mikrosnimci pokazuju da su mišićna vlakna (miofibrili) sastavljena od uzdužnih filamenata koji se nazivaju miofilamenti. Postoje dvije vrste takvih niti: debele (100 A debljine, 1,5 | dužine)" i tanke (50 A debljine, 2 [x] dužine).

Temeljnom ekstrakcijom proteina i metodama histohemijskog i imunohemijskog bojenja pokazano je da se debeli filamenti sastoje od miozina, a tanki od aktina. Debeli i tanki filamenti su raspoređeni na takav način da je svaki debeli filament okružen sa šest tankih filamenata u poprečnom presjeku, a svaki od ovih tankih filamenata zauzvrat služi kao centar za šest debelih filamenata.

Struktura naizmjeničnih tamnih i svijetlih pruga vidljiva u konvencionalnom mikroskopu formirana je izmjenom gustih diskova A i manje gustih diskova I. Svaka strukturna jedinica sastoji se od jednog diska A i diskova I koji se nalaze uz njega s obje strane i odvojena je od susjedne jedinice tankom gustom pločom Z, koja prolazi kroz sredinu diska I. Srednji dio diska je nešto lakši i ima nazvana područjem H. Kao što pokazuju elektronski mikrografi, debeli filamenti su prisutni samo u disku A, a disk I sadrži samo tanke filamente. Potonji, međutim, donekle idu u disk A - u praznine između debelih niti. Tako se na oba kraja diska A nalaze i debeli i tanki filamenti, dok srednji dio (zona H) sadrži samo debele filamente. Tanki filamenti izgledaju glatki, dok debeli filamenti pokazuju sitne izbočine koje se nalaze u intervalima od 60-70 A duž cijele dužine i dopiru do susjednog tankog filamenta. Ove izbočine izgledaju kao mostovi koji povezuju oba niza niti.

Tokom mišićne kontrakcije, dužina diska A ostaje konstantna, ali disk I se skraćuje, a H zona u disku A takođe se smanjuje. Huxley i drugi autori su sugerirali da tokom kontrakcije debele i tanke niti ne mijenjaju svoju dužinu, već klize jedna preko druge; u isto vrijeme, tanki aktinski filamenti prodiru dublje u disk A, tako da se zona H skuplja, a disk I sužava kako se krajevi debelih filamenata miozina približavaju ploči Z. Fizičko-hemijski mehanizam ovog klizanja filamenata još nije jasan; moguće je da se mostovi između njih pokidaju i zatim ponovo formiraju, pomaknuvši se nešto duž dužine niti. Za formiranje novih mostova - poprečnih veza između debelih i tankih niti - moguće je da se koristi energija makroergijskih fosfatnih veza.

Kada se mišić steže, postaje kraći i deblji, ali njegov ukupni volumen ostaje isti. To je eksperimentalno pokazano: secirani mišić je stavljen u staklenu posudu s uskim vratom i posuda je napunjena vodom; kada je nakon toga mišić bio prisiljen da se kontrahira i opusti stimulacijom električnim impulsima, nije došlo do promjene nivoa vode u vratu žile.

Svrha lekcije: Proučiti hemijski sastav skeletnih mišića, saznati hemiju mišićne kontrakcije i opuštanja. Naučite ulogu kemijskih sastojaka i strukturnih elemenata u metaboličkim procesima koji osiguravaju rad mišića.

Specifična funkcija mišića je da obezbijedi motoričku funkciju – kontrakciju i opuštanje. U vezi sa obavljanjem ove važne funkcije, struktura mišićne ćelije i njen hemijski sastav ima niz specifičnosti.

70-80% mišićne mase je voda, 20-26% suvi ostatak.

Mišiće karakteriše visok sadržaj proteina od 16,5-20,9%. To je zbog činjenice da pored proteina svojstvenih drugim stanicama, u mišićima postoje specifični kontraktilni proteini koji čine 45% svih proteina mišićnih stanica. Ostatak proteina su sarkoplazmatski proteini (oko 30%) i stromalni proteini (15% od ukupnog broja).

Skeletni mišić se sastoji od snopova vlakana zatvorenih u zajedničku vezivnu ovojnicu-sarkolemu. Unutar svakog vlakna nalazi se oko stotinu ili više miofibrila, dugih, specijaliziranih organela u mišićnoj ćeliji koje provode funkcije kontrakcije. Svaka miofibrila sastoji se od nekoliko paralelnih niti, takozvanih filamenata dvije vrste - debelih i tankih, koje se nalaze u njemu heksagonalno; svaki debeli filament je okružen sa šest tankih. Strukturna veza između filamenata se ostvaruje samo pravilno postavljenim "poprečnim mostovima". Tokom kontrakcije i opuštanja, tanki filamenti klize duž debelih i ne mijenjaju svoju dužinu. U ovom slučaju, veze između dvije vrste filamenata se uništavaju i ponovo se pojavljuju. Debeli filamenti se uglavnom sastoje od proteina miozina, dok se tanki filamenti uglavnom sastoje od aktina. Kontraktilni protein miozin karakteriše visoka molekularna težina (više od 440.000).

Karakteristika miozina je da ima mesta sa enzimskom aktivnošću (aktivnost ATP-aze), koja se manifestuje u prisustvu Ca2+. Pod uticajem miozina, ATP se cepa na ADP i neorganski fosfat (H3PO4). Oslobođena energija se koristi za kontrakciju mišića.

Aktin je kontraktilni protein, sa nižom molekularnom težinom (oko 420.000). Može postojati u dva oblika: globularni (G-aktin) i fibrilarni (F-aktin). F- aktin - polimer G- aktin. F - aktin - aktivira ATP - azu miozina, koji stvara pokretačku silu koja uzrokuje da tanki i debeli filamenti klize jedan u odnosu na druge. Pored ova dva glavna proteina, kontraktilni sistem sadrži regulatorne proteine ​​lokalizovane u tankim (aktinskim filamentima) - tropomiozin B i troponin, koji se sastoje od tri podjedinice: J, C i T.

Tropomiozin B ima filamentoznu spiralnu strukturu i nalazi se u žljebu spiralnog lanca F-aktina. Troponin je povezan sa tropomiozinom B i može formirati komplekse sa aktinom i miozinom.

Kompleks tropomiozina B-troponina naziva se relaksirajućim proteinom jer je povezan s procesom relaksacije kontraktiranog fibrila. Iz tankih filamenata izdvojena su još dva proteina: i - aktin, koji je, po svemu sudeći, protein koji jača složenu strukturu tankih filamenata. Približno, miofibril sadrži miozin, aktin, tropomiozin i troponin u odnosu na ukupne proteine ​​55, 25, 15 i 5%, respektivno. Treba napomenuti još dva mišićna proteina: miostromin i mioglobin. Miostromini čine osnovu mišićne strome; to su teško rastvorljivi proteini koji se ne ekstrahuju iz mišića slanim rastvorima. Mišićna stroma ima elastičnost, koja je neophodna za opuštanje mišića nakon kontrakcije. Mioglobin je protein koji sadrži željezo i sličan je po strukturi i funkciji proteinu eritrocita - hemoglobinu. Ima mnogo veći afinitet prema kiseoniku od hemoglobina i, akumulirajući kiseonik koji unosi krv, predstavlja rezervni rezervoar kiseonika u mišićima.

Od neproteinskih supstanci, pored ATP-a, prije svega treba istaknuti kreatin fosfat (CP) i glikogen. CF je prva moćna rezerva ATP resinteze (oporavka) koja se troši na mišićne kontrakcije. Glikogen je glavni rezervni ugljikohidratni izvor mišićne energije. Mišić sadrži niz međuproizvoda metabolizma ugljikohidrata: (pirogrožđanu, mliječnu kiselinu, itd.) i veliku količinu mineralnih jona. Najveći sadržaj u mišićima je K+ i PO4--, nešto manji od Na+, Mg++, Ca++, Cl-, Fe3+, SO4--_.

Unutar mišićnog vlakna, ispod sarkoleme, nalazi se sarkoplazma - tečna proteinska otopina koja okružuje kontraktilne elemente mišićnog vlakna - miofibrile, kao i druge strukturne komponente - organele koje obavljaju određenu funkciju. Prije svega, to je sarkoplazmatski retikulum i T-sistem, koji su direktno povezani sa kontrakcijom mišića. Sarkoplazmatski retikulum je direktno povezan sa kontrakcijom i opuštanjem mišića, regulišući oslobađanje iz njegovih elemenata i obrnuti transport Ca2+ u mišićno vlakno. Promjena električnog potencijala površinske membrane se preko T-sistema prenosi na elemente retikuluma, što dovodi do oslobađanja Ca jona u njima, koji ulaze u fibrile i pokreću proces mišićne kontrakcije. Mitohondrije – sadrže enzime oksidativnih procesa koji čine glavni izvor energije za mišićnu kontrakciju – ATP.

Kontrakcija mišića zasniva se na uzdužnom kretanju miozinskih i aktinskih filamenata jedan u odnosu na druge bez promjene dužine samih filamenata. Veza između filamenata se ostvaruje uz pomoć "poprečnih mostova" - miozinskih glava koje vire iz površine miozinskog filamenta i sposobne su za interakciju s aktinom. Stimulus za uključivanje složenog mehanizma mišićne kontrakcije je nervni impuls koji se motornim živcem prenosi na mišićnu ćeliju, brzo se širi kroz sarkolemu i uzrokuje oslobađanje acetilholina, hemijskog posrednika (transmitera) u prijenosu nervnog pobuđenja, na kraju motornog živca (sinapse). Oslobađanje acetilholina na površini ćelijske membrane stvara razliku potencijala između njene vanjske i unutrašnje površine, povezanu s promjenom njene permeabilnosti za ione Na + i K +. U trenutku depolarizacije sarkoleme dolazi do depolarizacije i T-sistema mišićne ćelije. Pošto je T-sistem u kontaktu sa svim fibrilima vlakna, električni impuls se širi istovremeno na sve njegove sarkomere. Promjene u T-sistemu se odmah prenose na usko susjedne membrane retikuluma, uzrokujući povećanje njihove permeabilnosti, što rezultira oslobađanjem kalcija u sarkoplazmu i miofibrile. Do kontrakcije dolazi povećanjem koncentracije Ca2+ u prostoru između aktinskih i miozinskih filamenata do 10-5 M.

Ca2+ joni se vežu za troponin C (kalmodulin), što povlači za sobom promjenu konformacije cijelog kompleksa, tropomiozin odstupa od glave miozina za oko 20°, otvarajući aktinske aktivne centre koji se mogu povezati sa miozinom (nabijenim ATP energijom i kompleksiranim sa ADP i Fn u prisustvu Mg++), formirajući aktomiozinski kompleks.

Mijenja se konformacija globularnog dijela molekule miozina (glave), koji odstupa za određeni ugao, otprilike 45° od smjera ose miozinskog filamenta i pomiče tanki aktinski filament iza sebe: dolazi do kontrakcije. Konformacijska promjena u miozinu dovodi do hidrolize ATP-a njegovom ATPazom. ADP i fosfatna grupa se oslobađaju u medijum. Njihovo mjesto zauzima drugi molekul ATP-a. Kao rezultat, vraća se početno stanje i radni ciklus se može ponoviti. Učestalost radnog ciklusa i njegovo trajanje određuju koncentracija Ca2+ i prisustvo ATP-a.

Nakon prestanka djelovanja motoričkog impulsa dolazi do obrnutog transporta Ca2+ jona u sarkoplazmatski retikulum, njegova koncentracija između aktinskih i miozinskih filamenata pada ispod 10-7 M, a mišićna vlakna gube sposobnost formiranja aktomiozina, skraćuju se i razvijaju vučnu napetost u prisustvu ATP-a.

Dolazi do opuštanja mišića. Povratni transport

Ca2 + se odvija zahvaljujući energiji dobivenoj razgradnjom ATP-a od strane enzima Ca2 + - ATPaze. Za prijenos svakog Ca2+ jona troše se 2 ATP molekula. Tako se energija za kontrakciju i relaksaciju obezbeđuje snabdevanjem ATP-a. Stoga se rezerve ATP-a moraju stalno obnavljati između kontrakcija. Mišići imaju veoma moćne i savršene mehanizme za nadoknadu (resintezu) utrošenog ATP-a i održavanje njegove koncentracije na potrebnom, optimalnom nivou kako bi se obezbedio rad različitog trajanja i snage.

Ovom cilju, uz visok početni ATP, služi visoka aktivnost respiratornih enzima i sposobnost mišića da u relativno kratkom vremenu (1-3 minute) višestruko poveća nivo oksidativnog procesa. Povećano dotok krvi u mišiće tokom rada povećava protok kiseonika i hranljivih materija.

U početnom periodu može se koristiti kiseonik vezan za mioglobin. Mogućnost resinteze ATP-a pružaju i unutrašnji mehanizmi ćelije – visok nivo kreatin fosfata, kao i visoka koncentracija glikogena i aktivnost enzima glikolize.

Pitanja za lekciju

Morfološka organizacija skeletnih mišića.

Uloga intracelularnih struktura u životu mišićne ćelije.

Strukturna organizacija i molekularna struktura miofibrila.

Hemijski sastav mišića.

Uloga ATP-a u kontrakciji i relaksaciji mišića.

mehanizam mišićne kontrakcije. Redoslijed hemijskih reakcija u mišiću tokom njegove kontrakcije.

Opuštanje mišića.

Ciklične biohemijske reakcije koje se javljaju u mišiću tokom kontrakcije osiguravaju ponovno stvaranje i uništavanje adhezija između "glava" - izraslina molekula miozina debelih protofibrila i izbočina - aktivnih centara tankih protofibrila. Rad na stvaranju adhezija i promociji aktinskog filamenta duž miozinskog filamenta zahtijeva kako preciznu kontrolu tako i značajan utrošak energije. U stvarnosti, u trenutku kontrakcije vlakana, u svakom aktivnom centru - ivici, formira se oko 300 adhezija u minuti.

Kao što smo ranije napomenuli, samo energija ATP-a može se direktno pretvoriti u mehanički rad mišićne kontrakcije. ATP hidrolizovan enzimskim centrom miozina formira kompleks sa celim proteinom miozinom. U kompleksu ATP-miozin, zasićenom energijom, miozin mijenja svoju strukturu, a sa njom i vanjske “dimenzije” i na taj način vrši mehanički rad na skraćivanju izrastanja miozinskog filamenta.

U mišićima u mirovanju, miozin je još uvijek povezan s ATP-om, ali preko Mg++ jona bez hidrolitičkog cijepanja ATP-a. Nastanak adhezija između miozina i aktina u mirovanju sprečava kompleks tropomiozina sa troponinom, koji blokira aktivne centre aktina. Blokada se održava i ATP se ne razdvaja dok su joni Ca ++ vezani. Kada nervni impuls stigne do mišićnog vlakna, ono se oslobađa predajnik pulsa– neurohormon acetilholin. Sa ionima Na + neutralizira se negativni naboj na unutrašnjoj površini sarkoleme i dolazi do njegove depolarizacije. U tom slučaju se ioni Ca ++ oslobađaju i vezuju za troponin. Zauzvrat, troponin gubi naboj, zbog čega se oslobađaju aktivni centri - izbočine aktinskih filamenata i pojavljuju se adhezije između aktina i miozina (pošto je elektrostatičko odbijanje tankih i debelih protofibrila već uklonjeno). Sada, u prisustvu Ca ++ ATP stupa u interakciju sa centrom enzimske aktivnosti miozina i cijepa se, a energija pretvorenog kompleksa se koristi za smanjenje adhezija. Gore opisani lanac molekularnih događaja sličan je električnoj struji koja puni mikrokondenzator, njegova električna energija se odmah pretvara u mehanički rad na licu mjesta i potrebno je ponovo napuniti (ako želite nastaviti).

Nakon rupture adhezije, ATP se ne cijepa, već ponovo formira kompleks enzim-supstrat sa miozinom:

M–A + ATP -----> M – ATP + A ili

M-ADP-A + ATP ----> M-ATP + A + ADP

Ako u ovom trenutku stigne novi nervni impuls, tada se ponavljaju reakcije "dopunjavanja", ako sljedeći impuls ne stigne, mišić se opušta. Povratak kontraktiranog mišića tokom relaksacije u prvobitno stanje osiguravaju elastične sile proteina mišićne strome. Iznoseći moderne hipoteze kontrakcije mišića, znanstvenici sugeriraju da u trenutku kontrakcije aktinski filamenti klize duž miozinskih filamenata, a njihovo skraćivanje je moguće i zbog promjena u prostornoj strukturi kontraktilnih proteina (promjene u obliku spirale).

U mirovanju, ATP ima plastifikacijski učinak: spajanjem s miozinom sprječava stvaranje njegovih adhezija s aktinom. Cepajući se tokom mišićne kontrakcije, ATP daje energiju za proces skraćivanja adhezije, kao i za rad "kalcijum pumpe" - dovod Ca ++ jona. Cepanje ATP-a u mišiću se dešava veoma velikom brzinom: gore do 10 mikromola po 1 g mišića u minuti. Budući da su ukupne rezerve ATP-a u mišićima male (mogu biti dovoljne samo za 0,5-1 sekundu rada sa maksimalnom snagom), da bi se osigurala normalna mišićna aktivnost, ATP se mora obnavljati istom brzinom kojom se dijeli.

Predavanje br. 4. Energija za kontrakciju mišića, biohemijski procesi koji se dešavaju tokom rada mišića.

Rescue resynthesis.

Naime, samo ATP može pretvoriti hemijsku energiju (njegov slobodni dio, koji je u fosfatnim vezama) u mehaničku energiju kretanja (let, trčanje i klizanje). Ona daje energiju proces skraćivanja adhezije, tj. ukupna kontrakcija mišića a također opskrbljuje energijom za formiranje Ca ++ jona uključenih u kontrakciju). Živa ćelija konstantno održava radnu koncentraciju ATP-a na nivou od približno 0,25%, uključujući i tokom intenzivnog mišićnog rada. Ako (u slučaju poremećaja metabolizma) dođe do povećanja koncentracije ATP-a, tada će biti poremećena kontraktilnost mišića (izgledat će kao "krpa"), ako dođe do smanjenja, doći će do rigoroznosti - stanja uporne kontrakcije koja ne prolaze (“petrifikacija”). Radna koncentracija ATP-a dovoljna je za sekundu snažnog rada (3-4 pojedinačne kontrakcije). Tokom produžene mišićne aktivnosti, radna koncentracija ATP-a se održava zbog reakcija na njegovo obnavljanje. Kako bi se osigurao normalan (dugotrajni) rad mišića u procesu metabolizma, ATP se obnavlja istom brzinom kojom se dijeli.

Podsjetimo da je razgradnja ATP-a reakcija enzimske hidrolize i može se izraziti jednadžbom:

ATP-ase + ATP + H2O ---> ADP + H3PO4

Energija za resintezu ATP-a (ona će se tada osloboditi prilikom cijepanja – oko 40 kJ po 1 molu) mora se dobiti kroz reakcije koje se odvijaju uz oslobađanje energije (kataboličke). Stoga je na ćelijskom nivou reakcija hidrolize ATP-a povezana s reakcijama koje osiguravaju resintezu ATP-a. U toku takvih reakcija nastaju srednjeenergetska jedinjenja koja u svom sastavu imaju fosfatnu grupu, koja se zajedno sa rezervom slobodne energije prenosi na ADP. Takve reakcije prijenosa (transferi "relejne palice") katalizirane enzimima fosfotransferaze nazivaju se reakcije transfosforilacije ili refosforilacije. Makroergijska jedinjenja neophodna za resintezu ATP-a su ili stalno prisutna, na primer kreatin fosfat (akumulira se u simplastu), ili se formiraju (difosfoglicerinska kiselina, fosfopirugrožđana kiselina) u oksidativnim procesima (katabolički).

Resinteza ATP-a tokom mišićne aktivnosti može se odvijati na dva načina: zbog reakcija bez sudjelovanja kisika - anaerobne (kada dostava kisika u mišiće nema vremena ili je otežana) i zbog oksidativnih procesa u stanicama (uz sudjelovanje kiseonik koji udišemo, a koji sportista ubrzano udiše pod opterećenjem i u početnoj fazi mirovanja).

U ljudskim skeletnim mišićima identifikovana su tri tipa anaerobnih procesa tokom kojih se vrši resinteza ATP-a:

- reakcija kreatin fosfokinaze (fosfogeni ili alaktički anaerobni proces), gdje dolazi do resinteze ATP-a zbog refosforilacije između kreatin fosfata i ADP-a;

- glikoliza (laktacidni anaerobni proces), gdje se odvija resinteza ATP-a u toku enzimske anaerobne razgradnje ugljikohidrata, koja završava stvaranjem mliječne kiseline.

- reakcija miokinaze, kod kojih se resinteza ATP-a odvija zbog defosforilacije određenog dijela ADP-a;

Za upoređivanje i kvantificiranje procesa različitih vrsta konverzije energije tokom mišićne aktivnosti koriste se tri glavna kriterija:

- kriterijum snage - označava brzinu konverzije energije u datom procesu (vježbi);

- kriterijum kapaciteta - odražava ukupne rezerve energetskih supstanci (mjereno količinom oslobođene energije i obavljenim radom);

- kriterijum efikasnosti - karakterizira omjer između energije utrošene na resintezu ATP-a i ukupne količine energije oslobođene tokom ovog procesa (vježbe).

Procesi konverzije energije, anaerobni i aerobni, razlikuju se po snazi, kapacitetu i efikasnosti. Anaerobni procesi preovlađuju tokom kratkotrajnih vežbi visokog intenziteta, aerobni procesi - tokom dugotrajnog rada umerenog intenziteta.

POGLAVLJE 3. FUNKCIONALNA BIOHEMIJA MIŠIĆA

3.1. Mehanizam kontrakcije mišića

Uprkos multifunkcionalnosti mišićnog sistema, glavna funkcija mišića je provođenje motoričkog čina, odnosno kontrakcija i opuštanje. Kontrakcija mišića je složen mehanohemijski proces tokom kojeg se hemijska energija hidrolitičke razgradnje ATP-a pretvara u mehaničku energiju. Razmotrimo strukturnu osnovu procesa kontrakcije prugasto-prugastih mišića kralježnjaka, budući da je ovaj proces najpotpunije proučavan. Kao što je napomenuto, kontraktilni sistem prugasto-prugastih mišića sastoji se od preklapajućih proteinskih filamenata koji klize jedan u odnosu na drugi (vidi sliku 9, A).

Prema modelu koji su predložili E. Huxley i R. Niedergerke, kao i X. Huxley i J. Henson, kada se miofibrili skupljaju, jedan sistem niti prodire u drugi, odnosno, niti počinju da klize jedna preko druge, jer bilo je, što je uzrok mišićne kontrakcije.

Do kontrakcije dolazi zbog energije koja se oslobađa tokom hidrolize ATP-a. U poprečnoprugastom mišiću kontrakcija ovisi o koncentraciji Ca 2+ jona, što je zauzvrat regulirano sarkoplazmatskim retikulumom, specijaliziranim membranskim sistemom koji akumulira Ca 2+ u mirovanju i oslobađa ga kada se nervni impuls primijeni na mišićno vlakno (vidi sliku 11, A, B).

1) "glava" miozina može hidrolizirati ATP u ADP i H 3 PO 4 (P i), ali ne osigurava oslobađanje produkata hidrolize. Stoga je ovaj proces više stehiometrijski nego katalitičke prirode (vidi sliku 10, a);

3) ova interakcija osigurava oslobađanje ADP i H 3 RO 4 iz aktin-miozinskog kompleksa. Aktomiozinska veza ima najmanju energiju pod uglom od 45°; stoga se ugao miozina sa osom fibrila menja od 90° do 45° (približno) i aktin napreduje (za 10-15 nm) prema centru sarkomera (vidi sl. 10, c ) („hod“ prema modelu čamca na vesla na sl. 9 B);

Rice. 9. Organizacija skeletnih mišića kičmenjaka

i mehanizam mišićne kontrakcije

4) novi ATP molekul se vezuje za kompleks miozin-F-aktin (vidi sliku 10, d);

5) kompleks miozin-ATP ima nizak afinitet za aktin, te stoga dolazi do odvajanja "glave" miozina (ATP) od F-aktina. Poslednja faza je zapravo relaksacija, koja jasno zavisi od vezivanja ATP-a za aktin-miozinski kompleks (vidi sliku 10e). Zatim se ciklus nastavlja.

Rice. 10. Biohemijski ciklus mišićne kontrakcije

Ciklus se ponavlja sve dok postoji ATP. Svaki "hod" od 500 "glava" miozina debelih filamenata uzrokuje pomak od 10 nm. Za vrijeme jakih kontrakcija, broj udaraca je otprilike 5 puta u sekundi. Sa svakim ciklusom hidrolize ATP-a, „glave“ miozina stupaju u interakciju s novim molekulama aktina, zbog čega dolazi do međusobnog klizanja filamenata miozina i aktina, odnosno kontrakcije mišićnih vlakana.

3.2. Regulacija kontrakcije i opuštanja mišića

Kontrakcija bilo kojeg mišića događa se prema ranije opisanom općem mehanizmu. Mišićna vlakna različitih organa mogu imati različite molekularne mehanizme regulacije kontrakcije i relaksacije, ali joni Ca 2+ uvijek imaju ključnu regulatornu ulogu. Utvrđeno je da miofibrili imaju sposobnost interakcije sa ATP-om i kontrakcije u njegovom prisustvu samo u prisustvu određenih koncentracija jona kalcijuma u medijumu. Najveća kontraktilna aktivnost se opaža pri koncentraciji Ca 2+ jona od oko 10–6–10–5 M. Kada koncentracija padne na 10–7 M ili niže, mišićna vlakna gube sposobnost skraćivanja i razvijanja napetosti u prisustvu od ATP.

Prema savremenim shvatanjima, u mišiću u mirovanju (u miofibrilima i interfibrilarnom prostoru) koncentracija Ca 2+ jona se održava ispod granične vrednosti kao rezultat njihovog vezivanja strukturama (tubulima i vezikulama) sarkoplazmatskog retikuluma i t. -nazvan T-sistem uz učešće posebnog Ca 2+ -vezujućeg proteina, nazvanog calsequestrin, koji je dio ovih struktura.

Vezivanje Ca 2+ jona preko ekstenzivne mreže tubula i cisterni sarkoplazmatskog retikuluma nije jednostavna adsorpcija. Ovo je aktivan fiziološki proces koji se odvija zbog energije koja se oslobađa prilikom razgradnje ATP Ca 2+-zavisne ATPaze sarkoplazmatskog retikuluma. U ovom slučaju se uočava vrlo neobična slika: brzina izbacivanja Ca 2+ jona iz interfibrilarnog prostora stimulisana je istim ionima. Uopšteno govoreći, takav mehanizam je nazvan "kalcijum pumpa" po analogiji sa dobro poznatom natrijum pumpom u fiziologiji (vidi sliku 11, B).

Mogućnost da živi mišić bude u relaksiranom stanju u prisustvu dovoljno visoke koncentracije ATP-a u njemu objašnjava se smanjenjem koncentracije Ca 2+ iona u okolini koja okružuje miofibrile kao rezultat djelovanja kalcija. pumpe, ispod granice na kojoj je još moguća manifestacija aktivnosti ATPaze i kontraktilnost aktomiozinskih struktura vlakana. Brza kontrakcija mišićnog vlakna kada je stimulirana živcem (ili električnom strujom) rezultat je nagle promjene permeabilnosti membrana i, kao rezultat, oslobađanja određene količine Ca 2+ joni iz cisterni i tubula sarkoplazmatskog retikuluma i T-sistema u sarkoplazmu (vidi sliku 11, A, B).

Kao što je napomenuto, „osjetljivost“ aktomiozinskog sistema na ione Ca 2+ (tj. gubitak sposobnosti aktomiozina da cijepa ATP i skuplja se u prisustvu ATP-a kada se koncentracija Ca 2+ jona smanji na 10–7 M) je zbog prisustva proteina troponina povezanog sa tropomiozinom u kontraktilnom sistemu (na filamentima F-aktina). U kompleksu troponin-tropomiozin, ioni Ca 2+ vezuju se precizno za troponin (C-podjedinica troponina je po svojstvima slična kalmodul-

Rice. jedanaest. Regulacija mišićne kontrakcije

pa). Vezivanje Ca 2+ jona uzrokuje konformacijske promjene u molekuli troponina, koje, po svemu sudeći, dovode do pomaka cijelog troponin-tropomiozinskog štapića i deblokiranja aktivnih mjesta aktina koja mogu stupiti u interakciju s miozinom i formirati kontraktilni kompleks i aktivni Mg 2+ -ATPaza. Ovo pokreće ciklus mišićne kontrakcije (vidi sliku 11B).

U promociji aktinskih filamenata duž miozinskih filamenata, prema E. Huxleyu, važnu ulogu imaju poprečni mostovi koji se privremeno zatvaraju između filamenata, koji su "glave" molekula miozina. Dakle, što je veći broj mostova vezanih za aktinske filamente u datom trenutku, to je veća sila mišićne kontrakcije.

Konačno, ako ekscitacija prestane, sadržaj Ca 2+ jona u sarkoplazmi se smanjuje (kalcijum pumpa), kao rezultat toga, kompleks Ca 2+ sa troponinom C se disocira, troponin vraća svoju prvobitnu konformaciju, mjesto vezivanja miozina na aktin je blokirane, odnosno „glave“ miozinskih filamenata prestaju da se vežu za aktinske filamente. U prisustvu ATP-a, mišić se opušta i njegova dužina dostiže prvobitnu dužinu. Ako prestane opskrba ATP-om (anoksija, inhalacijsko trovanje ili smrt), tada mišić prelazi u stanje ukočenosti. Gotovo svi poprečni mostovi debelih (miozinskih) filamenata vezani su za tanke aktinske filamente, što rezultira potpunom nepokretnošću mišića.

POGLAVLJE 4. BIOENERGIJA MIŠIĆNE AKTIVNOSTI

4.1. Opće karakteristike sistema i mehanizama

snabdijevanje energijom mišićne aktivnosti

Kao što je prikazano u poglavlju 3, ATP je neposredni izvor energije za mišićnu aktivnost. Oslobađanje energije nastaje tokom enzimske hidrolize ATP molekula u ADP i ortofosfat:

Ca 2+ -ATPaza

ATP + H 2 O ADP + H 3 RO 4.

ΔQ = 7,3 kcal, ili 30 kJ

Hemijska energija u procesu mišićne kontrakcije pretvara se u mehanički rad mišića, a tokom opuštanja obezbjeđuje aktivan transport Ca 2+ do sarkoplazmatskog retikuluma. Velika količina ATP-a se troši u skeletnim mišićima za rad Na + -K + -ATPaze, koja održava određenu koncentraciju Na + i K + jona u mišiću, stvarajući elektrohemijski potencijal na sarkolemi.

Dakle, da bi mišićna stanica sa svojim kontraktilnim aparatom obezbijedila dovoljnu količinu energije u obliku ATP-a, neophodna je kontinuirana resinteza ovog spoja.

Sadržaj ATP-a u mišićima je beznačajan i iznosi oko 5 mmol ∙ kg -1 mase sirovog tkiva (0,25–0,40%). Održava se na relativno konstantnom nivou, jer povećanje koncentracije ATP-a u mišićima izaziva inhibiciju miozinske ATPaze, koja sprečava stvaranje adhezija između aktinskih i miozinskih filamenata u miofibrilima i kontrakciju mišića, te njeno smanjenje ispod 2 mmol∙ kg -1 sirove mase tkiva dovodi do narušavanja rada Ca 2+ pumpe u retikulumu i procesa opuštanja mišića. Rezerve ATP-a u mišićnim vlaknima mogu osigurati izvođenje intenzivnog rada samo za vrlo kratko vrijeme - 0,5-1,5 s, odnosno 3-4 pojedinačne kontrakcije maksimalne snage. Daljnji rad mišića odvija se zahvaljujući brzom oporavku (resintezi) ATP-a iz proizvoda njegovog raspadanja i količine energije koja je oslobođena tijekom raspada:

ADP + H 3 RO 4 + ΔQ → ATP.

Reakcija dodavanja fosfata naziva se fosforilacija, a reakcija njegovog prenošenja s jedne supstance na drugu naziva se refosforilacija.

Rice. 12. Energetski metabolizam u mišićnom tkivu

Izvori energije za resintezu ATP-a u skeletnim mišićima i drugim tkivima su energetski bogate supstance koje sadrže fosfate koje su prisutne u tkivima (kreatin fosfat, ADP) ili nastaju tokom katabolizma glikogena, masnih kiselina i drugih energetskih supstrata (npr. metabolita). difosfogliceričnu i fosfopirogrožđanu kiselinu), kao i energiju gradijenta protona (H+) preko mitohondrijalne membrane, koja je rezultat aerobne oksidacije različitih supstanci.

U zavisnosti od toga koji biohemijski proces obezbeđuje energiju za formiranje molekula ATP-a, postoje četiri mehanizma, ili putevi za resintezu ATP-a u tkivima (vidi sliku 12). Svaki mehanizam ima svoje metaboličke i bioenergetske karakteristike. U energetskom snabdijevanju mišićnog rada koriste se različiti mehanizmi u zavisnosti od intenziteta i trajanja vježbe.

Resinteza ATP-a može se odvijati u reakcijama koje se odvijaju bez sudjelovanja kisika (anaerobni mehanizmi) ili uz sudjelovanje inhaliranog kisika (aerobni mehanizam).

U normalnim uslovima, resinteza ATP-a u tkivima se odvija pretežno aerobno, a tokom intenzivne mišićne aktivnosti, kada je dostava kiseonika do mišića otežana, u tkivima se pojačavaju i anaerobni mehanizmi resinteze ATP-a. U ljudskim skeletnim mišićima identifikovana su tri tipa anaerobnog i jedan aerobni put resinteze ATP (vidi sliku 13).

Anaerobni mehanizmi uključuju:

1) kreatin fosfokinazni (fosfogeni ili alaktatni) mehanizam koji obezbeđuje resintezu ATP-a usled refosforilacije između kreatin fosfata i ADP;

2) glikolitički (laktatni) mehanizam, koji osigurava resintezu ATP-a u procesu enzimske anaerobne razgradnje mišićnog glikogena ili glukoze u krvi, završavajući stvaranjem mliječne kiseline, pa se stoga naziva laktat;

3) miokinazni mehanizam, koji ponovo sintetiše ATP usled reakcije reposforilacije između dva ADP molekula uz učešće enzima miokinaze (adenilat kinaze).

Rice. 13. Mehanizmi resinteze ATP-a u mišićima

(okvir prikazuje energetske supstrate

i istaknuti nazivi mehanizama)

Aerobni mehanizam resinteze ATP-a uglavnom uključuje reakcije oksidativne fosforilacije koje se javljaju u mitohondrijima. Energetski supstrati aerobne oksidacije su glukoza, masne kiseline, djelimično aminokiseline, kao i intermedijarni metaboliti glikolize – mliječna kiselina, oksidacija masnih kiselina – ketonska tijela.

Svaki mehanizam ima različite energetske sposobnosti, koje karakteriziraju sljedeći kriteriji za procjenu mehanizama za proizvodnju energije: maksimalna snaga, brzina primjene, metabolički kapacitet i efikasnost. Maksimalna snaga je najveća stopa proizvodnje ATP-a u datom metaboličkom procesu. Ograničava maksimalni intenzitet rada ovog mehanizma. Stopa implementacije se procjenjuje vremenom do dostizanja maksimalne snage datog puta resinteze ATP-a od početka rada. Metabolički kapacitet odražava ukupnu količinu ATP-a koja se može dobiti u datom mehanizmu resinteze zbog veličine rezervi energetskih supstrata; kapacitet ograničava količinu posla koji se može obaviti. Metabolička efikasnost je onaj dio energije koji se akumulira u makroergijskim vezama ATP-a; određuje efikasnost obavljenog posla i procjenjuje se ukupnom vrijednošću koeficijenta učinka (COP), koji je omjer sve utrošene korisne energije i njene ukupne količine oslobođene u ovom metaboličkom procesu.

Ukupna efikasnost pretvaranja energije metaboličkih procesa u mehanički rad (E m) zavisi od dva pokazatelja: a) efikasnosti pretvaranja energije oslobođene tokom metaboličkih transformacija u energiju resintetizovanih makroenergetskih fosfornih jedinjenja (ATP), tj. efikasnost fosforilacije (E f); b) efikasnost pretvaranja ATP-a u mehanički rad, odnosno efikasnost hemomehaničkog spajanja (E e):

E m = (E f / E e) × 100.

Efikasnost hemomehaničkog spajanja kao procenat aerobnog i anaerobnog metabolizma je približno ista i iznosi 50%, dok je efikasnost fosforilacije najveća u alaktičkom anaerobnom procesu - oko 80%, a najmanja - u anaerobnoj glikolizi - u proseku 44%, u aerobnom procesu je otprilike 60%.

Komparativne karakteristike kreatin fosfokinaze, glikolitičkih i aerobnih mehanizama opskrbe energijom mišićne aktivnosti prema kriterijima evaluacije prikazane su u tabeli 3.

Tabela 3 pokazuje da kreatin fosfokinaza i glikolitički mehanizmi imaju veliku maksimalnu snagu i efikasnost formiranja ATP-a, ali kratko maksimalno vrijeme zadržavanja snage i mali kapacitet zbog malih rezervi energetskih supstrata. Aerobni mehanizam ima skoro tri puta manju maksimalnu snagu u odnosu na kreatin fosfokinazu, ali je održava dugo vremena, kao i gotovo neiscrpan kapacitet zbog velikih rezervi energetskih supstrata u vidu ugljenih hidrata, masti i delimično proteina. Dakle, zbog rezervi masti tijelo može kontinuirano raditi 7-10 dana, dok su rezerve energetskih supstrata anaerobnih mehanizama proizvodnje energije manje značajne.

Training Document

... UDC (470)(082) BBC ... izdavaštvo dobrotvorna organizacija M. P. Belyaev. Pojedinačne stranke izdavaštvo ... štampano ... savjet na kojoj je i prihvaćeno rješenje nastavljaju svoje aktivnosti u egzilu. Ne prepuštajući se iluzijama on... kvaliteta obrazovni beneficije. Njegov...