Строение и функции скелетных мышц

1. Строение и функции скелетных мышц Тарасова Ольга Сергеевна Кафедра физиологии человека и животных Биологического ф-та МГУ

2. Типы мышечной ткани Сердечная мышца Скелетные мышцы Гладкие мышцы

3. Уровни организации скелетной мышцы • Волокна (клетки)скелетных мышц очень крупные • диаметр - до 100 мкм, длина – до 10 см и более • многоядерные • В процессе развития сливаются несколько миобластов и их ядра сохраняются • Нервно-мышечный синапс только один - расположен ближе к центру волокна • Поперечные трубочки(T-tubules - от transverse) • Регулярные впячивания сарколеммы вдоль волокна • Они проводят ПД внутрь волокна Миофибрилла Н.Б.Гусев Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, №8, с.24-32

4. Саркомер – единица строения и работы миофибриллы Z-линии разных миофибрилл расположены на одном уровне

5. Строение саркомера («для взрослых») -актинин Титин (тайтин) Миозин Актин Тропомодулин (кепирует конец актинового филамента) Небулин («линейка» для актинового филамента) Титин - гигантский белок (3-3,7 МДа), крупнейший из белков организма позвоночных. Содержание титина достигает 10% общего мышечного белка. Титин образует филаменты длиной до 1 мкм, которые занимают половину саркомера: каждый филамент одним концом крепится к Z-линии, а другим – к М-линии. Миофибриллы «сшиваются» промежуточными филаментами (состоят из десмина и др. белков)

6. Строение тонкого филамента Тропомиозин Тропонин Глобулярный (G) актин Регуляторный тропонин-тропомиозиновый комплекс Фибриллярный (F) актин

7. Строение толстого филамента Молекула миозина Легкие цепи Хвост Актин-связывающий центр Головка АТФ-связывающий центр Сборка молекул миозина в толстый филамент

8. Строение головки миозина АТФ-связывающий центр Актин-связывающий центр Щель (“пасть”), разделяющая две “челюсти” актин-связывающего центра Н.Б.Гусев Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, №8, с.24-32 Головки миозина образуют поперечные мостики между толстыми и тонкими филаментами

9. Теория скольжения нитей: во время сокращения мышцы длина толстых и тонких филаментов не изменяется, происходит их скольжение друг относительно друга • Теория скольжения нитей была выдвинута на основании двух независимых наблюдений • Huxley and Niedergerke (1954), световая микроскопия: во время сокращения происходит сужениеI-дисков, тогда как ширина А-дисков не изменяется • Huxley and Hanson (1954), электронная микроскопия: во время сокращения длина толстых и тонких филаментов не изменяется

10. Цикл работы головки миозина Буква А в кружке – аденозин; голубые кружки – фосфатные группы Выход АДФ Н.Б.Гусев Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, №8, с.24-32

11. Цикл работы головки миозина

12. Сила сокращения скелетной мышцы зависит от длины саркомеров

13. Взаимодействие головок миозина с актином возможно лишь при повышении концентрации Са2+ в цитоплазме Тонкий филамент Толстый филамент Высокая концентрация Са2+(>10-5 M) Низкая концентрация Са2+ (<10-9 M) Октябрь 2007

14. Расположение тропомиозина и тропонинового комплекса на актиновом филаменте Связывание Са2+ с тропонином С ослабляет взаимодействие тропонинового комплекса с актином Толщина линий отражает «силу взаимодействия» Тропонин T (TnT) – крепится к тропомиозину Тропонин I (TnI) – ингибирует взаимодействие актина и миозина Тропонин С (TnC) – связывает Са2+ Gordon et al. News Physiol Sci 2001, vol. 6, p. 49-55

15. Электромеханическое сопряжение в скелетной мышце Сопряжение возбуждения наружной мембране мышечной клетки (электрического процесса) и сокращения мышцы (механического ответа) 1. Потенциал действия 2. Повышение внутриклеточной концентрации Ca2+ 3. Связывание Са2+ c тропонином 4. Сокращение

16. Поперечные трубочки и цистерны саркоплазматического ретикулума (СПР) Миофибриллы СПР Отверстия Т-трубочек I - диск А - диск СПР В мышцах позвоночных Т-трубочки расположены на границах A-диска (т.е. на каждый саркомер приходится по две Т-трубочки) Терминальная цистерна Т-трубочка Базальная мембрана Т-трубочка Плазма-лемма

17. Поперечные трубочки и цистерны СПР Мембрана мышечного волокна (сарколемма) Открывающаяся наружу пора Т-трубочки Цистерны СПР Миофибриллы T-трубочки • Три гипотезы о механизме передачи сигнала от Т-трубочек к СПР: • Электрическая; • Химическая; • Механическая

18. Гипотеза о механическом способе передачи сигнала от наружной мембраны к СПР: Chandler, Rakowski and Schneider (1976)

19. Соединительные ножки между мембранами t-трубочки и СПР А – актин; М – миозин;ТТ – Т-трубочка; ТЦ – терминальная цистерна;СН – соединительная ножка

20. «Внешняя» часть ножки – ДИГИДРОПИРИДИНОВЫЙ РЕЦЕПТОР (потенциал-управляемый кальциевый канал L-типа) Цитоплазматическая петля, формирующая ножку («foot»), которая и является сенсором напряжения, взаимодействующим с рианодиновым рецептором А.М.Рубцов Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, №9, с.17-24

21. «Внутренняя» часть ножки – РИАНОДИНОВЫЙ РЕЦЕПТОР (кальциевый канал саркоплазматического ретикулума) Трехмерная модель рианодинового рецептора, построенная по данным электронной микроскопии Цитоплазма-тический домен Гидрофобная часть, погруженная в мембрану СПР Вид сбоку Центральный ионопроводящий канал Вид со стороны цитоплаз-мы Радиальный ионопроводящий канал Ryania speciosa RyR активируется:Са2+ (в микромилярных концентрациях), АТФ, кофеином, жирными кислотами, рианодином (в низкой концентрации). Инактивируется: Са2+ (в миллимолярных концентрациях), рианодином (в высокой концентрации). Вид со стороны мембраны Базальная платформа

22. Взаимное расположение дигидропиридиновых и рианодиновых рецепторов в скелетной мышце В быстрых мышечных волокнах каждый второй RyR связан с тетрадой DHPR, в медленных – каждый из 5 или 8. SR – саркоплазматический ретикулум (СПР); DHPR – дигидропиридиновые рецепторы; RyR1 - рианодиновые рецепторы 1 типа; CSQ – кальсеквестрин (Са-связывающий белок СПР); SERCA – Са-насос СПР, Sarco(Endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase 2002

23. Активация рианодиновых рецепторов в скелетной мышце Часть рианодиновых рецепторов (RyR) механически связана с тетрадой дигидропиридиновых рецепторов (DPHR). «Несвязанные» RyR активируются ионами Са2+ в сердечной мышце Нет механической связи между RyR и DPHR. Все RyR активируются ионами Са2+, которые входят с клетку через DHPR («триггерный» Са2+) Типы рианодиновых рецепторов: cкелетная мышца – RyR1, сердечная мышца – RyR2 А.М.Рубцов Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, №9, с.17-24

24. Активация рианодиновых рецепторов в скелетной мышце Часть рианодиновых рецепторов (RyR) механически связана с тетрадой дигидропиридиновых рецепторов (DPHR). «Несвязанные» RyR активируются ионами Са2+ в сердечной мышце Нет механической связи между RyR и DPHR. Все RyR активируются ионами Са2+, которые входят с клетку через DHPR («триггерный» Са2+) Типы рианодиновых рецепторов: cкелетная мышца – RyR1, сердечная мышца – RyR2 А.М.Рубцов Соросовский образовательный журнал 2000, том 6, №9, с.17-24

25. Динамика одиночного сокращения различается для разных мышц

26. Типы мышечных волокон • Не генерируют ПД • Имеют полисинаптическую иннервация • Отвечают на нервное воздействие градуальным сокращением Изоформы тяжелых цепей различаются по АТФ-азной активности (количеству молекул АТФ, расщепляемых в единицу времени), т.е. по «длительности цикла срабатывания головки миозина» Чем выше АТФ-азная активность миозина, тем быстрее сокращается мышечное волокно

27. Свойства различных типов фазических мышечных волокон

28. Иннервация скелетных мышц • Мышечные волокна млекопитающих имеют моносинаптическую иннервацию: нервно-мышечный синапс только один, он располагается ближе к центру волокна • Во всех синапсах, образуемых мотонейронами на мышечных волокнах, медиатором является ацетилхолин. • ПД, приходящие по аксону мотонейрона вызывают только сокращение мышцы( а не торможение сокращения) • Нервно-мышечный синапс обладает высокой надежностью, поскольку амплитуда постсинаптического потенциала выше порога возбуждения мышечного волокна • Одиночный ПД в мотонейроне вызывает возбуждение и сокращение мышечного волокна (т.е. происходит передача возбуждения 1:1)

29. Двигательные (моторные) единицы ЦНС Каждая ДЕ занимает обширную территорию в толще мышцы, поскольку ее волокна «перемешаны» с волокнами других ДЕ Двигательная единица = мотонейрон + группа иннервируемых им мышечных волокон Все мышечные волокна ДЕ принадлежат к одному типу (быстрому или медленному) Мотонейронный пул мышцы: группа мотонейронов, иннервирующих данную мышцу Распределение волокон одной ДЕ в мышце голени крысы (в результате стимуляции мотонейрона в волокнах этой ДЕ нет гликогена, поэтому они не окрашены)

30. Размер и количество ДЕ в мышцах человека Наружная прямая мышца глаза Икроножная

31. Регуляция силы мышечного сокращения • Два способа увеличения силы сокращения мышцы: • Активация большего числа мотонейронов (рекрутирование ДЕ) • Увеличение частоты разрядов мотонейронов: суммация одиночных сокращений (тетанус) • Длительность сокращения намного больше длительности ПД • В отличие от ПД сократительные ответы могут суммироваться • Амплитуда суммарного сокращения больше, чем одиночного (поскольку выше концентрация Са2+ в цитоплазме мышечного волокна) • Чем дольше одиночное сокращение, тем при более низкой частоте разрядов мотонейрона образуется тетанус (т.е. в медленных волокнах частота образования тетануса ниже, чем в быстрых) • При утомлении мышцы длительность ее сокращения увеличивается – тетанус образуется при более низкой частоте возбуждения

32. Метаболический тип мышечного волокна определяется его иннервацией (характером разрядной активности мотонейрона) Все волокна ДЕ принадлежат к одному метаболическому типу Изменение свойств мышц при перекрестной реиннервации Низкочастотная электростимуляция двигательных волокон быстрой мышцы превращает ее в медленную Частота разрядов мотонейронов медленных ДЕ ниже, чем быстрых

33. Изменения строения мышечной системы при естественной активности мотонейронов Тренировка силы (тяжелая атлетика) Тренировка выносливости (марафон)

34. Источники энергии в скелетной мышце человека