Muskuļu kontrakcijas mehānisms. Skeleta muskuļu funkcijas un īpašības

Muskuļu saraušanās ir sarežģīts process, kas sastāv nono vairākiem posmiem. Galvenās sastāvdaļas šeit ir miozīns, aktīns, troponīns, tropomiozīns un aktomiozīns, kā arī kalcija joni un savienojumi, kas muskuļiem nodrošina enerģiju. Apsveriet muskuļu kontrakcijas veidus un mehānismus. Izpētīsim, no kādiem posmiem tie sastāv un kas nepieciešams cikliskam procesam.

Muskuļi

Muskuļi tiek apvienoti grupās, kurām ir vienāds muskuļu kontrakcijas mehānisms. Pamatojoties uz to, tie ir sadalīti 3 veidos:

• svītrainie ķermeņa muskuļi;
• atriācijas un sirds kambaru svītrainie muskuļi;
• orgānu, asinsvadu un ādas gludie muskuļi.

Striated muskuļi ir iekļautimuskuļu un skeleta sistēma, kas ir tās daļa, jo papildus tām ietilpst cīpslas, saites, kauli. Kad tiek ieviests muskuļu kontrakcijas mehānisms, tiek veikti šādi uzdevumi un funkcijas:

• ķermenis pārvietojas;
• ķermeņa daļas pārvietojas viena pret otru;
• ķermenis tiek atbalstīts kosmosā;
• rodas siltums;
• garoza tiek aktivizēta ar aferentāciju no uztverošajiem muskuļu laukiem.

Tas sastāv no gludajiem muskuļiem:

• iekšējo orgānu motora aparāts, kas ietver bronhu koku, plaušas un gremošanas cauruli;
• limfātiskā un asinsrites sistēma;
• uroģenitālo orgānu sistēma.

Fizioloģiskās īpašības

Tāpat kā visiem mugurkaulniekiem, cilvēka ķermenis izšķir trīs vissvarīgākās skeleta muskuļu šķiedru īpašības:

• kontraktilitāte - saraušanās un spriedzes maiņa ar uztraukumu;
• vadītspēja - potenciāla kustība visā šķiedrā;
• uzbudināmība - reakcija uz stimulu, mainot membrānas potenciālu un jonu caurlaidību.

Muskuļi ir satraukti un sāk sarautiesnervu impulsi, kas nāk no centriem. Bet mākslīgos apstākļos tiek izmantota elektriskā stimulācija. Pēc tam muskuļus var kairināt tieši (tiešs kairinājums) vai caur nervu, kas inervē muskuļus (netiešs kairinājums).

Saīsinājumu veidi

Muskuļu kontrakcijas mehānisms nozīmēķīmiskās enerģijas pārveidošana mehāniskā darbā. Šo procesu var izmērīt eksperimentā ar vardi: tā gastrocnemius muskulis ir noslogots ar nelielu svaru un pēc tam kairināts ar viegliem elektriskiem impulsiem. Kontrakciju, kurā muskulis kļūst īsāks, sauc par izotonisku. Ar izometrisko kontrakciju saīsinājums nenotiek. Cīpslas neļauj saīsināt muskuļu spēka attīstību. Vēl viens muskuļu kontrakciju auksotoniskais mehānisms ietver intensīvas slodzes apstākļus, kad muskulis tiek saīsināts minimālā veidā, un spēks attīstās maksimāli.

Skeleta muskuļu struktūra un inervācija

Svītrainais skeleta muskulis ietverdaudzas šķiedras, kas atrodamas saistaudos un piestiprinātas cīpslām. Dažos muskuļos šķiedras ir paralēlas garajai asij, savukārt citās tām ir slīps izskats, kas piestiprinās pie centrālās cīpslas auklas un pinnāta tipa.

Šķiedras galvenā iezīme irplānas pavedienu masas - miofibrilu - sarkoplazma. Tie ietver gaišas un tumšas zonas, pārmaiņus viena ar otru, un kaimiņos šķērssvītrotās šķiedras ir vienā līmenī - šķērsgriezumā. Sakarā ar to tiek iegūta šķērsvirziena svītra gar visu muskuļu šķiedru.

Sarkomērs ir tumšo un divu komplekssgaismas diski, un to norobežo Z formas līnijas. Sarcomeres ir muskuļa saraušanās aparāts. Izrādās, ka saraušanās muskuļu šķiedra sastāv no:

• saraušanās aparāts (miofibrila sistēma);
• trofiskais aparāts ar mitohondrijiem, Golgi kompleksu un vāju endoplazmatisko tīklojumu;
• membrānas aparāti;
• atbalsta aparāti;
• nervu aparāts.

Muskuļu šķiedra ar to struktūru un funkcijām ir sadalīta 5 daļās un ir neatņemama muskuļu audu sastāvdaļa.

Inervācija

Šis process striated muskuļosšķiedras tiek realizētas caur nervu šķiedrām, proti, muguras smadzeņu un smadzeņu stumbra motoro neironu aksoniem. Viens motora neirons inervē vairākas muskuļu šķiedras. Kompleksu ar motora neironu un inervētām muskuļu šķiedrām sauc par neiromotoru (NME) vai motora vienību (MU). Vidējais šķiedru skaits, ko inervē viens motoneurons, raksturo muskuļa MU vērtību, un abpusējo sauc par inervācijas blīvumu. Pēdējais ir liels tajos muskuļos, kur kustības ir mazas un "plānas" (acis, pirksti, mēle). Tās mazā vērtība, gluži pretēji, būs muskuļos ar "raupjām" kustībām (piemēram, stumbrs).

Inervācija var būt viena vai vairākas.Pirmajā gadījumā to realizē ar kompaktiem motora galiem. Parasti tas attiecas uz lieliem motoneuroniem. Muskuļu šķiedras (ko šajā gadījumā sauc par fiziskām vai ātrām) rada AP (darbības potenciālus), kas tām tiek sadalītas.

Vairākas inervācijas notiek, piemēram,ārējos acu muskuļos. Darbības potenciāls šeit netiek ģenerēts, jo membrānā nav elektriski ierosināmu nātrija kanālu. Tajos depolarizācija izplatās pa visu šķiedru no sinaptiskajiem galiem. Tas ir nepieciešams, lai aktivizētu muskuļu kontrakcijas mehānismu. Process šeit nav tik ātrs kā pirmajā gadījumā. Tāpēc to sauc par lēnu.

Miofibrila struktūra

Muskuļu šķiedru pētījumi šodien tiek veikti, pamatojoties uz rentgena difrakcijas analīzi, elektronu mikroskopiju, kā arī uz histoķīmiskām metodēm.

Tiek aprēķināts, ka katrā miofibrilā diametrskas ir 1 μm, ietver apmēram 2500 protofibrilu, tas ir, iegarenas polimerizētas olbaltumvielu molekulas (aktīnu un miozīnu). Aktīna protofibrilas ir divas reizes plānākas nekā miozīna. Mierīgā stāvoklī šie muskuļi ir tādi, ka aktīna pavedieni ar galiem iekļūst telpās starp miozīna protofibrilām.

Šaurā gaismas joslā A diskā nav aktīna pavedienu. Un Z membrāna tos tur kopā.

Uz miozīna pavedieniem ir šķērsvirziena izvirzījumigarums līdz 20 nm, kuru galvās ir apmēram 150 miozīna molekulas. Viņi iziet biopolāri, un katra galva savieno miozīnu ar aktīna pavedienu. Kad aktīna centri pūlas uz miozīna pavedieniem, aktīna pavedieni tuvojas sarkomēra centram. Beigās miozīna pavedieni sasniedz Z līniju, pēc tam tie aizņem visu sarkomēru, un aktīna pavedieni atrodas starp tiem. Šajā gadījumā diska I garums tiek samazināts, un beigās tas pilnībā izzūd, līdz ar to līnija Z kļūst biezāka.

Tātad, saskaņā ar bīdāmo pavedienu teoriju, tiek izskaidrots muskuļu šķiedras garuma samazinājums. Teoriju, ko sauc par "zobratu", Hekslijs un Hansons izstrādāja divdesmitā gadsimta vidū.

Muskuļu šķiedru kontrakcijas mehānisms

Teorētiski galvenais ir tas, ka nav pavedienu(miozīns un aktīns) ir saīsināti. Izstiepjot muskuļus, to garums nemainās. Bet plāno pavedienu saišķi, paslīdot, iziet starp biezajiem pavedieniem, to pārklāšanās pakāpe samazinās, tādējādi notiek saraušanās.

Muskuļu kontrakcijas molekulārais mehānismsbīdot aktīna pavedienus, ir šāds. Miozīna galvas savieno protofibrilu ar aktīnu. Kad tie ir sasvērušies, notiek slīdēšana, kas kustina aktīna kvēldiegu sarkomēra centra virzienā. Sakarā ar miozīna molekulu bipolāro organizāciju abās pavedienu pusēs tiek radīti apstākļi aktīna pavedienu slīdēšanai dažādos virzienos.

Kad muskuļi ir atslābināti, miozīna galva attālinās no aktīna pavedieniem. Pateicoties viegli bīdāmai, atslābināti muskuļi daudz mazāk izturas pret stiepšanos. Tāpēc tie pasīvi pagarina.

Redukcijas posmi

Muskuļu kontrakcijas mehānismu var īsi sadalīt šādos posmos:

1. Muskuļu šķiedras tiek stimulētas, ja darbības potenciālu rada motoneuroni no sinapsēm.
2. Darbības potenciāls tiek izveidots pie muskuļu šķiedras membrānas un pēc tam izplatās uz miofibrilām.
3. Tiek veikta elektromehāniskā savienošana, kas ir elektriskās PD pārveidošana par mehānisku bīdāmu. Šajā obligāti ir iesaistīti kalcija joni.

Kalcija joni

Lai labāk izprastu šķiedru aktivācijas procesuIr ērti apsvērt aktīna pavediena struktūru ar kalcija joniem. Tās garums ir aptuveni 1 μm, biezums ir no 5 līdz 7 nm. Tas ir savītu virkņu pāris, kas atgādina aktīna monomēru. Aptuveni ik pēc 40 nm šeit ir sfēriskas troponīna molekulas un starp ķēdēm tropomiozīna molekulas.

Ja nav kalcija jonu, tas irmiofibrilas atslābina, garās tropomiozīna molekulas bloķē aktīna ķēžu un miozīna tiltu piestiprināšanu. Bet, aktivizējot kalcija jonus, tropomiozīna molekulas iet uz leju dziļāk, un apgabali atveras.

Tad miozīna tilti piestiprināsaktīna pavedieni, un ATP tiek sadalīts, un attīstās muskuļu spēks. Tas ir iespējams, pateicoties kalcija iedarbībai uz troponīnu. Šajā gadījumā pēdējās molekula tiek deformēta, tādējādi nospiežot tropomiozīnu.

Kad muskuļi ir atslābināti, tas satur vairāk nekā 1 μmol kalcija uz gramu mitrā svara. Kalcija sāļi tiek izolēti un uzglabāti īpašās uzglabāšanas telpās. Pretējā gadījumā muskuļi visu laiku sarautos.

Kalcija uzglabāšana notiek šādi.Šķiedras iekšpusē esošajās muskuļu šūnas membrānas dažādās daļās ir caurules, caur kurām notiek savienojums ar vidi ārpus šūnām. Tā ir šķērsvirziena cauruļu sistēma. Un perpendikulāri tam ir garenvirziena sistēma, kuras galos atrodas burbuļi (galīgās cisternas), kas atrodas tuvu šķērsvirziena sistēmas membrānām. Kopā viņi veido triādi. Tieši burbuļos kalcijs tiek uzglabāts.

Tas ir tas, kā PD izplatās šūnā, unnotiek elektromehāniskā sakabe. Uztraukums iekļūst šķiedrā, nonāk gareniskajā sistēmā un izdala kalciju. Tādējādi tiek veikts muskuļu šķiedras kontrakcijas mehānisms.

3 procesi ar ATP

Mijiedarbojoties abiem virzieniem kalcija jonu klātbūtnē, ATP ir nozīmīga loma. Kad tiek ieviests skeleta muskuļu muskuļu kontrakcijas mehānisms, ATP enerģija tiek izmantota, lai:

• nātrija un kālija sūkņa darbība, kas uztur nemainīgu jonu koncentrāciju;
• šīs vielas membrānas pretējās pusēs;
• bīdāmie diegi, kas saīsina miofibrilas;
• kalcija sūkņa darbs, kas darbojas, lai atpūstos.

ATP ir atrodama šūnu membrānā, miozīna pavedienos un sarkoplazmas retikuluma membrānās. Fermentu sašķeļ un izmanto miozīns.

ATP patēriņš

Ir zināms, ka miozīna galvas mijiedarbojasar aktīnu un satur elementus ATP šķelšanai. Pēdējo aktivizē aktīns un miozīns magnija jonu klātbūtnē. Tādēļ fermenta šķelšanās notiek, kad miozīna galva ir piestiprināta pie aktīna. Šajā gadījumā, jo vairāk šķērsveida tiltu, jo lielāks būs sadalīšanas ātrums.

ATP mehānisms

Pēc kustības beigām AFT molekulanodrošina enerģiju reakcijā iesaistītā miozīna un aktīna atdalīšanai. Miozīna galvas tiek atdalītas, ATP tiek sadalīta līdz fosfātam un ADP. Beigās ir pievienota jauna ATP molekula, un cikls atsākas. Tas ir muskuļu kontrakcijas un relaksācijas mehānisms molekulārā līmenī.

Šķērsojošo tiltu darbība turpināsies tikai tik ilgi, kamēr notiek ATP hidrolīze. Kad enzīms ir bloķēts, tilti vairs netiks piestiprināti.

Sākoties organisma nāvei, ATP līmenis šūnās samazinās, un tilti paliek stabili piestiprināti pie aktīna pavedieniem. Šis ir rigor mortis posms.

ATP sintēze

Resintēzi var īstenot divos veidos.

Ar fermentu pārnesi nofosfātu grupas kreatīna fosfāts uz ADP. Tā kā kreatīna fosfāta rezerves šūnā ir daudz lielākas nekā ATP, resintēze tiek realizēta ļoti ātri. Tajā pašā laikā resintēze notiks lēni, oksidējot pirovīnskābi un pienskābes.

Ja sintezē, ATP un CP var pilnībā izzusttraucēs indes. Tad kalcija sūknis pārtrauks darboties, kā rezultātā muskuļi neatgriezeniski saruks (tas ir, notiks kontraktūra). Tādējādi tiks traucēts muskuļu kontrakcijas mehānisms.

Procesa fizioloģija

Apkopojot iepriekš minēto, mēs to atzīmējammuskuļu šķiedru kontrakcija sastāv no miofibrilu saīsināšanas katrā no sarkomēriem. Miozīna (bieza) un aktīna (plānas) pavedieni ir savienoti galos relaksētā stāvoklī. Bet viņi sāk slīdēt kustības viens pret otru, kad tiek realizēts muskuļu kontrakcijas mehānisms. Fizioloģija (īsi) izskaidro procesu, kad miozīna ietekmē tiek atbrīvota nepieciešamā enerģija, lai ATP pārvērstu ADP. Šajā gadījumā miozīna aktivitāte tiks realizēta tikai ar pietiekamu kalcija jonu saturu, kas uzkrājas sarkoplazmatiskajā tīklā.