Механизм сопряжения возбуждения и сокращения в поперечно-полосатых мышечных волокнах (электромеханическое сокращение). Механизм электромеханического сопряжения теория скольжения роль ионов кальция Электромеханическое сопряжение в мышцах

При активации гладкомышечной клетки ионы кальция могут входить в через дигидропиридин-чувствительные, потенциал-зависимые кальциевые каналы L- типа, которые располагаются в кавеолах – инвагинациях плазматической мембраны, контактирующих с саркоплазматическим ретикулумом. Кальциевые потенциал-зависимые каналы L- типа также активируются в ответ на растяжение мембраны, и результатом является деполяризация мембраны. Концентрация Са 2+ во внеклеточной жидкости приблизительно в 10 000 раз больше, чем в саркоплазме. Поэтому ионы Са 2+ довольно быстро входят в клетку через Са 2+ каналы. Небольшие размеры гладкомышечной клетки создают благоприятные условия для быстрой диффузии ионов Са 2+ к внутриклеточным участкам связывания. В дальнейшем ионы Са 2+ инициируют выход Са 2+ из депо – саркоплазматического ретикулума и активацию процесса сокращения гладкой мышцы. Для некоторых гладкомышечных клеток, например, составляющих мышечную стенку артериол, вход ионов Са 2+ через потенциал-зависимые Са 2+ -каналы определяет уровень внутриклеточной концентрации ионов Са 2+ . Для других типов гладких мышц этот путь повышения концентрации ионов Са 2+ в саркоплазме не существенен. Потенциал действия может также быть вызван активацией быстрых потенцал-зависимых Na + -каналов, например vas deferens мыши .

Са 2+ -вызванное освобождение Са 2+ из саркоплазматического ретикулума играет основную роль в электромеханическом сопряжении и в сердечной мышце, где наблюдается большое количество L–типа Са 2+ каналов, тесно прилегающих к Са 2+ каналам саркоплазматического ретикулума. Ионы Са 2+ из саркоплазматического ретикулума выходят через ионные каналы, которые активируются рианодиновыми рецепторами . Впервые рианодиновые рецепторы были обнаружены в скелетной мышце и название свое получили от названия антагониста, алкалоида растительного происхождения, рианодина. Причем, в низких концентрациях рианодин способен активировать Са 2+ канал рианодинового рецептора, а в высоких – вызывает его блокаду .

В гладкой мышце взаимоотношения между плазматической мембраной и саркоплазматическим ретикулумом не настолько четко организованы, как в скелетной и в сердечной мышце. Однако в гладкой мышце имеются электронно-плотные участки (мостики), размером около 20 нм. В этих участках ко-локализованы дигидропиридиновые рецепторы плазматической мембраны и рианодиновые рецепторы саркоплазматического ретикулума. Были идентифицированы и клонированы три различных типа рианодиновых рецепторов: тип RyR1 обнаружен в скелетных мышцах, тип RyR2 – в мышцах сердца. Считается, что в гладкой мышце присутствует RyR3 изоформа рианодиновых рецепторов . Рецептор к рианодину представляет из себя тетрамерный комплекс, состоящий из мономеров (трансмембранных полипептидов) с молекулярной массой 500 кДа. Рианодиновые рецепторы гладких мышц активируются микромолярной внутриклеточной концентрацией ионов Са 2+ и кофеином. Ингибируются рианодиновые рецепторы ионами Mg 2+ и рутением красным. При взаимодействии с ионами Са 2+ комплекс рианодинового рецептора образует кальций-активируемый Са 2+ канал, через который ионы Са 2+ выходят из саркоплазматического ретикулума в саркоплазму. Проводимость ионного канала рианодинового рецептора для ионов Са 2+ в гладкомышечной клетке сопоставима с проводимостью ионного канала рианодинового рецептора в скелетной и сердечной мышце. Однако, плотность рианодиновых рецепторов в гладкой мышце значительно ниже плотности в других мышечных тканях .

Выход ионов Са 2+ из саркоплазматического ретикулума в саркоплазму носит локальный характер. Это местное и довольно значительное повышение концентрации ионов Са 2+ называется Са 2+ -спарк. Вход ионов Са 2+ через Са 2+ -каналы плазматической мембраны и Са 2+ -спарки повышают общую «глобальную» внутриклеточную концентрацию ионов Са 2+ , что инициирует процесс сокращения гладкой мышцы. Это – электромеханический путь сопряжения процессов возбуждения и сокращения .

Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине клетки (электромеханическое сопряжение) включает в себя несколько последовательных процессов, ключевую роль в которых играют ионы Са2+.

В состоянии покоя скольжения нитей в миофибрилле не происходит, так как центры связывания на поверхности актина закрыты молекулами белка тропомиозина (рис. 7.3, А, Б). Возбуждение (деполяризация) миофибриллы и собственно мышечное сокращение связаны с процессом элетромеханического сопряжения, который включает ряд последовательных событий.

В результате срабатывания нейро-мышечного синапса на постсинаптической мембране возникает ВПСП, который генерирует развитие потенциала действия в области, окружающей постсинаптическую мембрану.

Возбуждение (потенциал действия) распространяется по мембране миофибриллы и за счет системы поперечных трубочек достигает саркоплазматического ретикулума. Деполяризации мембраны саркоплазматического ретикулума приводит к открытию в ней Са2+-каналов, через которые в саркоплазму выходят ионы Са2+ (рис. 7.3, В).

Ионы Са2+ связываются с белком тропонином. Тропонин изменяет свою конформацию и смещает молекулы белка тропомиозина, которые закрывали центры связывания актина (рис. 7.3, Г).

К открывшимся центрам связывания присоединяются головки миозина, и начинается процесс сокращения (рис. 7.3, Д).

Рис. 7.3. Механизм сопряжения возбуждения и сокращения:

1 – поперечная трубочка саркоплазматичекой мембраны, 2 –саркоплазматичекий ретикулум, 3 – ион Са2+, 4 – молекула тропонина, 5 – молекула тропомиозина. Объяснение – в тексте

Для развития указанных процессов требуется некоторый период времени (10–20 мс). Время от момента возбуждения мышечного волокна (мышцы) до начала ее сокращения называют латентным периодом сокращения.

• 
  Можно выделить основные 4 ди. Электромеханическое сопряжение в клетке скелетных мышц клетки (электромеханическое сопряжение )...


• 
  Электромеханическое сопряжение в клетке скелетных мышц . Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине клетки (э... подробнее ».


• 
  Электромеханическое сопряжение в клетке скелетных мышц . Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине кле. Загрузка.


• 
  Механическая модель мышцы Хилла. Скелетная мышца в покое по механическому поведению представляет собой вязкоупругий материал. В частности, для нее характерна релаксация напряжения.


• 
  Физиологические свойства атипического миокарда: 1) возбудимость ниже, чем у скелетных мышц , но выше, чем у клеток сократительного миокарда, поэтому именно здесь происходит генерация нервных импульсов


• 
  Структура мышечной клетки и мышечных белков. Основной структурной единицей скелетной мышечной ткани является мышечное волокно, состоящее и.
  При сокращении сердечной мышцы (систоле) кровь выбрасывается из сердца в аорту и отходящие от нее артерии.


• 
  Физические и физиологические свойства скелетных , сердечной и гладких мышц . По морфологическим признакам выделяют три группы мышц : 1) поперечно-полосатые мышцы (скелетные мышцы )


• 
  2) аппарат контроля – группу нервных клеток , в которых формируется модель будущего результата; 3) обратную афферентацию – вторичные афферентные нервные импульсы, которые идут в акцептор результата действия для оценки конечного резуль-тэта


• 
  По морфологическим признакам выделяют три группы мышц : 1) поперечно-полосатые мышцы (скелетные мышц ... подробнее ».
  Мионевральный (нервно-мышечный ) синапс – образован аксоном мотонейрона и мышечной клеткой .


• 
  Проявляется распространенным отложением гликогена в печени, почках, сердечной мышце , в области нервной системы, скелетной мускулатуры .
  5) определение гликогена в биоптате печени, в клетках периферической крови

Найдено похожих страниц:10

Электромеханическое сопряжение - это цикл последовательных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия ПД на сарколемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом мышцы.

Нарушение последовательности процессов сопряжения может приводить к патологиям и даже к летальному исходу.

Процесс сокращения кардиомиоцита происходит в следующем порядке:

1) при подаче на клетку стимулирующего импульса открываются быстрые (время активации 2 мс) натриевые каналы, ионы Na + входят в клетку, вызывая деполяризацию мембраны;

2) в результате деполяризация мембраны открываются потенциал-зависимые медленные кальциевые каналы (время жизни 200 мс), и ионы Са 2+ поступают из внеклеточной среды, где их концентрация ≈ 2 ∙10 3 моль / л, внутрь клетки (внутриклеточная концентрация Са 2+ ≈10-7 моль / л);

3) кальций, поступающий в клетку, активирует мембрану СР, являющегося внутриклеточным депо ионов Са 2+ (в СР их концентрация достигает более 10 -3 моль/л), и высвобождают кальций из пузырьков СР. В результате возникает так называемый «кальциевый залп». Ионы Са 2+ из СР поступают на актин-миозиновый комплекс саркомера, открывают активные центры актиновых цепей, вызывая замыкание мостиков и дальнейшее развитие силы и укорочения саркомера;

4) по окончании процесса сокращения миофибрилл ионы Са 2+ с помощью кальциевых насосов, находящихся в мембране СР, активно закачиваются внутрь саркоплазматического ретикулума;

5) процесс электромеханического сопряжения заканчивается тем, что ионы Na + и Са 2+ - активно выводятся во внеклеточную среду с помощью соответствующих ионных насосов.

Пассивные потоки 1,2 и 3 обеспечивают процесс сокращения мышцы, а активные потоки 4 и 5 - ее расслабление.

Таким образом, в кардиомиоците электромеханическое сопряжение идет в две ступени: вначале небольшой входящий поток кальция активирует мембраны СР, способствуя большему выбросу кальция из внутриклеточного депо, а затем в результате этого выброса происходит сокращение саркомера. Заметим, что описанный выше двухступенчатый процесс сопряжения доказан экспериментально.

Опыты показали, что: а) отсутствие потока кальция извне клетки I прекращает сокращение саркомеров, б) в условиях постоянства количества кальция, высвобождаемого из СР, изменения амплитуды потока приводит к хорошо коррелирующему изменению силы сокращения. Поток ионов Са 2+ внутрь клетки выполняет, таким образом, две функции: формирует длительное (200 мс) плато потенциала действия кардиомиоцита и участвует в процессе электромеханического сопряжения.

3. Цель деятельности студентов на занятии:

Студент должен знать:

1.Структуру мышцы.

2.Основные положения модели скользящих нитей.

3.Трехкомпонентную модель Хилла.

4.Изометрический и изотонический режимы исследования характеристик сокращающихся мышц.

5.Механизм электромеханического сопряжения в мышцах.

Студент должен уметь:

1. Объяснять модель скользящих нитей.

2. Объяснять трехкомпонентную модель Хилла.

3. Анализировать уравнение Хилла.

4. Объяснять процесс сокращения кардиомицита.

5. Решать ситуационные задачи по данной теме.

1. Структура мышцы. Саркомер.

2. Модель скользящих нитей.

3. Пассивное растяжение мышцы. Трехкомпонентная модель Хилла.

4. Активное сокращение мышцы.

5. Уравнение Хилла.

6. Мощность одиночного сокращения.

7. Электромеханическое сопряжение.

8. Решение ситуационных задач.

5. Перечень вопросов для проверки исходного уровня знаний:

1. Что является элементарной сократительной единицей мышечной ткани?

2. Опишите микроструктуру саркомера.

3. Что является механохимическим преобразователем энергии АТФ?

4. Как осуществляется процесс укорочения и генерации силы в саркомере? Каковы основные положения модели скользящих нитей?

5. Почему для исследования процесса сокращения мышцы приходиться разделять режимы ее работы на изотонический и изометрический? Какой режим реализуется в реальных условиях сокращения?

6.Что понимают под электромеханическим сопряжением? Какие фазы электромеханического сопряжения в кардиомиоците и в скелетной мышце осуществляются пассивными потоками ионов, а какие активными?

6. Перечень вопросов для проверки конечного уровня знаний:

1. Охарактеризуйте трехкомпонентную модель Хилла.

2. Объясните механизм активного сокращения мышцы.

3. Почему при различных начальных длинах мышцы изометрическое сокращение имеет различную форму зависимости F(t)?

4. Можно ли по кривой зависимости V(Р) Хилла (рис. 7) определить, какой максимальный груз может удерживать мышца?

5. Опишите процесс сокращения кардиомицита.

7.Решите задачи:

1.Сухожилие длиной 16 см под действием силы 12,4 Н удлиняется на 3,3 мм. Сухожилие можно считать круглым в сечении с диаметром 8,6 мм. Рассчитайте модуль упругости этого сухожилия.

2.Площадь сечения бедренной кости человека равна 3 см 2 . Какую силу сжатия может выдержать кость, не разрушаясь?

3.Для определения механических свойств костной ткани была взятапластинка из свода черепа со следующими размерами: длина L = 5 см, ширина b = 1 см, толщина h = 0,5 см. Под действием силы F = 200 Н пластинка удлинилась на ∆L = 1,2∙10 -3 см. Определите по этим данным модуль Юнга костной ткани при деформации растяжения.

4.Из большеберцовой кости собаки вырезали стержень прямоугольного сечения с ребрами а = 2 мм, b = 5 мм. Стержень положили на упоры, находящиеся на расстоянии L = 5 см друг от друга, и посередине между ними к нему приложили силу 28 Н. При этом стрела прогиба оказалась равной 1,5 мм. Определите модуль Юнга для этой кости.

8. Самостоятельная работа студентов:

По учебнику Антонова В.Ф. и др. (§§ 20.4.) изучите временное соотношение между потенциалом действия кардиомицита и одиночным сокращением.

9. Хронокарта учебного занятия:

1. Организационный момент – 5 мин.

2. Разбор темы – 30 мин.

3. Решение ситуационных задач – 60 мин.

4. Текущий контроль знаний – 30 мин

5. Подведение итогов занятия – 10 мин.

10. Перечень учебной литературы к занятию:

1.Ремизов А.Н. Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. М., «Дрофа», 2008, §§ 8.3, 8.4.

Роль Са 2+ - ионов.

Обычно мышца возбуждается при поступлении нервных импульсов от аксонов мотонейронов в пресинаптическую часть нервного волокна. Через 1-2 мс в мышечном волокне со скоростью примерно 2м/сек булл распространяться потенцией действия, а через 5-10 мс возникает сокращение этого волокна.

Передача команды к сокращению от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам в глубине мышечной клетки называемся электромеханическим сопряжением. Оно происходит в несколько этапов, с участием белков тропонииа и тропомиозина, а также ионов Са 2+ и состоит из нескольких этапов:

1. Распространение возбуждения вглубь волокна. В этом процессе важную роль играют Nа + - каналы поперечных трубочек (Т - трубки). С их помощью возбуждение быстро распространяется но мембране саркоплазматического ретикулума - систему продольных трубочек (т.н. «триады»), в которых депонирован Са 2+ . В мембране триад располагаются потенциал управляемые Са 2+ - каналы, которые открываются при распространении деполяризации, называют потенциалом действия.

2. Са 2+ - ионы поступают к миофибриллам. В состоянии покоя между поперечными мостиками миозина и актиновыми нитями находится длинный белок – тропомиозин. На актиновых же нитях через каждые 40 нм расположен белок сферической формы - тропонин. При поступлении ионов Са 2+ тропонин приобретает округлую форму и «заталкивает» тропонин в желобок между актииовыми нитями. Открываются участки для прикрепления поперечных миозиновых мостиков к нитям актина. При помощиАТФ происходит процесс «гребка».

3. После окончания «гребка» с помощью кальциевого насоса ноны Са 2+ удаляются в саркоплазматический ретикулум. При снижении концентрации Са 2+ подавляется активность АТФ-азы миозина и количество АТФ в миофибриллах увеличивается.

4. АТФ: даёт энергию для разъединения нитей актина и миозина после «гребка» - мышца расслабляется.

Недостатком АТФ объясняется трудное окоченение – нити актина и миозина не разъединены.

Таким образом, ведунью роль в электромеханическом сопряжении играют ионы Са 2+ .

3.Нейромоторные (двигательные) единицы, их виды.

Нейромоторная единица - это совокупность одного мотонейрона, аксона мотонейрона и его разветвлений, а также мышечных волокон, которые иннервируют данный аксон (рис. 15). В зависимости от количества иннервируемых волокон нейромоторные единицы делятся на две группы:

1. Малые нейронные единицы - один мотонейрон иннервирует несколько мышечных волокон. Иннервируется мышцы, требующие тонких и точных движений (мышцы глаза, гортани, пальцев рук).

2. Большие нейромоторные единицы - один мотонейрон иннервирует несколько сотен мышечных волокон (мышцы спины,голени).

Рис.15 . Строение двигательной единицы.

В зависимости от характера сокращения нейромоторные единицы делятся на три группы.

Строение скелетных мышц.
Каждая мышца состоит из параллельных пучков поперечно-полосатых мышечных волокон. Каждый пучок одет оболочкой. И вся мышца снаружи покрыта тонкой соединительнотканной оболочкой, защищающей мышечную ткань. Целостное мышечное волокно сокращается в результате стимуляции моторным нервом.
Каждое мышечное волокно также имеет снаружи тонкую оболочку, а внутри него находятся многочисленные тонкие сократительные нити - миофибриллы и большое количество ядер. Миофибриллы, с свою очередь, состоят из тончайших нитей двух типов - толстых (белковые молекулы миозина) и тонких (белок актина). Так как они образованы различными видами белка, под микроскопом видны чередующиеся темные и светлые полосы. Отсюда и название скелетной мышечной ткани - поперечно-полосатая.
У человека скелетные мышцы состоят из волокон двух типов - красных и белых. Они различаются составом и количеством миофибрилл, а главное - особенностями сокращения. Так называемые белые мышечные волокна сокращаются быстро, но быстро и устают; красные волокна сокращаются медленнее, но могут оставаться в сокращенном состоянии долго. В зависимости от функции мышц в них преобладают те или иные типы волокон.
Мышцы выполняют большую работу, поэтому они богаты кровеносными сосудами, по которым кровь снабжает их кислородом, питательными веществами, выносит продукты обмена веществ.
Мышцы крепятся к костям с помощью нерастяжимых сухожилий, которые срастаются с надкостницей. Обычно мышцы одним концом крепятся выше, а другим ниже сустава. При таком креплении сокращение мышц приводит в движение кости в суставах.Типичная скелетная мышца прикреплена как минимум к двум костям. Скелетные мышцы обеспечивают произвольные движения.

К скелетной мышце подходят нервы, которые несут сигналы от центральной нервной системы, вызывающие мышечное сокращение; по ним также обратно в нервную систему передается сенсорная информация о степени растяжения или сокращения мышцы.
Скелетные мышцы редко бывают полностью расслаблены; даже если движения в суставе нет, в мышце все равно поддерживается состояние слабого сокращения (мышечный тонус).
«Теория скользящих нитей» - концепция, объясняющая механизм сокращения миофибриллы. Разработана независимо друг от друга Хью Эзмором Хаксли и Сэром Андру Филдингом Хаксли
Согласно данной концепции, укорочение саркомера (части миофибриллы) во время сокращения происходит благодаря активному скольжению актиновых нитей относительно миозиновых нитей.между актином и миозином образуются так называемые поперечные мостики. Боковые мостики миозина цепляются за активные центры актина и сдвигают актин - происходит сокращение. Далее мостик отцепляется и прицепляется к следующему центру, передвигаясь дальше.При сокращении мышца укорачивается, но мы не чувствуем напряжение - мышца расслаблена - это изотоническое сокращение. Постоянная длина, но меняется степень напряжения в мышце - изометрическое сокращение. Напряжение мышцы с изменением её длины - эксцентрическое сокращение.
Электромеханической сопряжение - переход электрического движения в механическое, в результате чего происходит сокращение мышц.
Нервно-мышечный синапс - эффекторное нервное окончание на скелетном мышечном волокне.

При произвольной внутренней команде сокращение мышцы человека начинается примерно через 0.05 с (50 мс). За это время моторная команда передается от коры больших полушарий к мотонейронам спинного мозга и по двигательным волокнам к мышце. Подойдя к мышце, процесс возбуждения должен с помощью медиатора преодолеть нервно-мышечный синапс, что занимает примерно 0.5 мс. Медиатором здесь является ацетилхолин, который содержится в синоптических пузырьках в пресинаптической части синапса. Нервный импульс вызывает перемещение синаптических пузырьков к пресинаптической мембране, их опорожнение и выход медиатора в синаптическую щель Действие ацетил-холина на постсинаптическую мембрану чрезвычайно кратковременно, после чего он разрушаетсся ацетилхолинэстеразой на уксусную кислоту и холин. По мере расходо-нания запасы ацетил-холина постоянно пополняются путем его синтезирования в пресинаптической мембране. Однако, при очень частой и длительной импульсации мотонейрона расход ацетилхолини превышает его пополнение, а также снижается чувствительность постсинаптической мембраны к его действию, В результате чего нарушается проведение возбуждения через нервно-мышечный синапс.
Выделившийся в синаптическую щель медиатор прикрепляется к рецепторам постсинаптической мембраны и вызывает в ней явления деполяризации. Небольшое подпороговое раздражение вызывает лишь местное возбуждение или небольшой амплитуды потенциал концевой пластинки (ПКП).
При достаточной частоте нервных импульсов ПКП достигает порогового значения и на мышечной мембране развивается мышечный потенциал действия. Он распространяется вдоль по поверхности мышечного волокна и заходит в поперечные трубочки внутрь волокна. Повышая проницаемость клеточных мембран, потенциал действия вызывает выход из цистерн и трубочек саркоплаэматического ретикулума ионов Са2+, которые проникают в миофибриллы, к центрам связывания этих ионов на молекулах актина.
Под влиянием Са2+ длинные молекулы тропомиозина проворачиваются вдоль оси и скрываются в желобки между сферическими молекулами актина, открывая участки прикрепления головок миозина к актину. Тем самым между актином и миозином образуются поперечные мостики. При этом головки миозина совершают гребковые движения, обеспечивая скольжение нитей актина вдоль нитей миозина с обоих концов саркомера к его центру, т.е. механическую реакцию мышечного волокна.
Для дальнейшего скольжения сократительных белков друг относительно друга мостики между актином и миозином должны распадаться и вновь образовываться на следующем центре связывания Са2+. Такой процесс происходит в результате активации в этот момент молекул миозина. Миозин приобретает свойства фермента АТФ-азы, который вызывает распад АТФ. Выделившаяся при распаде АТФ энергия приводит к разрушению имеющихся мостиков и образованию в присутствии Са2+новых мостиков на следующем участке актиновой нити. В результате повторения подобных процессов многократного образования и распада мостиков сокращается длина отдельных саркомеров и всего мышечного волокна в целом. Максимальная концентрация кальция в миофибрилле достигается уже через 3 мс после появления потенциала действия в поперечных трубочках, а максимальное напряжение мышечного волокна - через 20 мс. Весь процесс от появления мышечного потенциала действия до сокращения мышечного волокна называется электромеханической связью (или электромеханическим сопряжением). В результате сокращения мышечного волокна актин и миозин более равномерно распределяются внутри саркомера, и исчезает видимая под микроскопом поперечная исчерченность мышцы. Расслабление мышечного волокна связано с работой особого механизма - «кальциевого насоса», который обеспечивает откачку ионов Са2+ из миофибрилл обратно в трубочки саркоплазматического ретикулума. На это также тратится энергия АТФ.