Механические свойства мышц. Работа мышц

По своим механическим свойствам мышцы относятс* к эластомерам — материалам, обладающим эластич ностью (растяжимостью и упругостью). Если мышц} подвергнуть действию внешней механической силы, тс она растягивается. Величина растяжения мышцы в со­ответствии с законом Гука будет пропорциональна ве­личине деформирующей силы (в определенных преде­лах):

где d l — абсолютное удлинение мышцы; l — начальная длина мышцы; F — деформирующая сила; S — площадь поперечного сечения мышцы; α — коэффициент упруго­сти. Величина отношения F / S называется механическим напряжением, а величина 1/α — модулем упругости; он показывает величину напряжения, необходимого для удлинения тела в 2 раза относительно начальной длины.

По своим свойствам мышца приближается к каучуку; модуль упругости для обоих этих материалов равен при­мерно 10 кгс/см². Мышцы обладают и другими свойст­вами, присущими каучуку. Как и при растяжении кау­чука, при сильном растяжении мышцы наблюдается ло­кальная кристаллизация (упорядочение макромолекулярной белковой структуры фибриллярного типа). Это явление было изучено методом рентгеноструктурного анализа. При этом освобождается кристаллизационное тепло, в результате чего температура мышцы при растя­жении повышается.

После того как внешнюю силу убирают, мышца вос­станавливает свою длину. Однако восстановление не бы­вает полным. Наличие остаточной деформации характе­ризует пластичность мышцы — способность сохранять форму после прекращения действия силы. Таким обра­зом, мышца не является абсолютно упругим телом, а обладает вязкоупругими свойствами. При очень сильном

растяжении мышца ведет себя как нормальное упругое тело. В этом случае при растяжении температура мыш­цы понижается.

При сокращении мышцы развивается напряжение и совершается работа. Мышцы обладают сократительны­ми и эластическими элементами. Поэтому возникающее напряжение и совершаемая работа обусловлены не толь­ко активным сокращением сократительного комплекса, но и пассивным сокращением, определяемым эластич­ностью или так называемым последовательным упругим компонентом мышцы. За счет последовательного упру­гого компонента работа совершается только в том слу­чае, если мышца была предварительно растянута, и ве­личина этой работы пропорциональна величине растя­жения мышцы. Этим в большой степени объясняется то, что наиболее мощные движения совершаются при боль­шой амплитуде, обеспечивающей предварительное рас­тяжение мышц.

Мышечные сокращения делятся на изометрические— происходящие при неизменной длине мышцы, и изотони­ческие — происходящие при неизменном напряжении. Чисто изометрические или чисто изотонические сокра­щения с большим или меньшим приближением можно получить только в лабораторных условиях при работе на изолированных мышцах. В организме сокращения мышц никогда не бываю чисто изометрическими или чисто изотоническими.

Скелетные мышцы с помощью сухожилий прикрепля­ются к костям, которые образуют систему рычагов. В большинстве случаев мышцы прикрепляются к костям так, что при их сокращении наблюдается выигрыш в амплитуде движений и эквивалентный проигрыш в си­ле. Плечо рычага мышцы в большинстве случаев бывает меньше плеча рычага соответствующей кости. Согласно Аккерману, механический выигрыш в амплитуде движе­ний большинства конечностей человека имеет величину от 2,5 до 20. Для двуглавой мышцы плеча он равен при­близительно 10. При движении костей соотношение плеч рычагов мышц и костей меняется, что приводит к изме­нению напряжения мышц. По этой причине изотониче­ских сокращений в естественных условиях не наблю­дается. По этой же причине в процессе сокращения ме­няются вышеприведенные величины механического вы­игрыша в амплитуде движений,

253

 

В зависимости от величины силы, которую преодо­левает мышца, скорость сокращения (укорочения) мыш­цы бывает различной. Хилл на основе опытных данных, полученных при работе на изолированных мышцах, вы­вел так называемое основное уравнение сокращения мышцы. Согласно Хиллу, скорость сокращения мышцы v находится в гиперболической зависимости от величины нагрузки F:

 

где а и b — константы, приблизительно равные ¹/₄ F и соответственно ¹/₄ v. Зависимость (2) графически иллю­стрируется рис. 47.

Байером были сделаны интересные замечания к урав­нению (2). Уравнение (2) приводится к виду

если принять F ' = F + а и v ' = v + b. Произведение Р^' представляет собой общую мощность, развиваемую мышцей при сокращении. Так как Fv меньше F ' v ' т. е. внешняя мощность меньше общей мощности, то следует предположить, что мышца совершает не только внеш­нюю работу, но еще и некоторую внутреннюю работу, проявляющуюся в том, что нагрузка как бы увеличи­вается на величину а, а скорость сокращения — на ве­личину b. Эту внутреннюю работу можно интерпретиро­вать как потерю энергии на внутримолекулярное трение в форме теплового рассеивания. Тогда с учетом выска-

254

занных замечаний можно отметить, что общая мощ­ность мышцы в физиологических пределах является по­стоянной величиной, не зависящей от величины нагрузки и скорости сокращения.

С термодинамической точки зрения мышца представ­ляет собой систему, которая преобразует химическую энергию (энергию АТФ) в механическую работу, т. е. мышца является хемо-механической машиной.

Как уже отмечалось, при сокращении мышцы про­исходит теплообразование. Хиллом с помощью термо­электрических методов было установлено, что при каж­дом раздражении вначале выделяется постоянная по ве­личине и не зависящая от нагрузки теплота активации Q, а затем теплота сокращения kΔ l, пропорциональная сокращению мышцы Δl и не зависящая от нагрузки (k — коэффициент пропорциональности). Если сокраще­ние изотоническое, то мышца производит работу А, рав­ную произведению нагрузки Fна величину сокращения: А = FΔl. Согласно первому закону термодинамики, изме­нение внутренней энергии ΔUмышцы будет равняться сумме выделенного тепла и совершенной работы:

(3)

Тогда КПД мышечного сокращения будет равен:

(4)

Учитывая, что величины Qи kне зависят от F, из урав­нения (4) следует, что в определенных пределах КПД мышечного сокращения будет увеличиваться при увели­чении нагрузки.

Хилл на основе полученных им в опытах данных оп­ределил, что КПД мышечного сокращения примерно равен 40%. Если бы мышца работала как тепловая ма­шина с КПД 40%, то при температуре среды 20°С тем­пература мышцы должна была бы быть равной 215°С (!). Величина КПД 40% показывает эффективность пре­вращения энергии АТФ в механическую энергию. Если учесть, что КПД окислительного фосфорилирования, в процессе которого синтезируется АТФ, имеет величину около 50%, то полная эффективность превращения энергии питательных веществ в механическую энергию будет равна приблизительно 20%.

255

Механизм мышечного сокращения

Тонкая структура мышц. Скелетная мышца позво­ночных состоит из нескольких тысяч параллельных мы­шечных волокон диаметром 10 — 100 мкм, заключенных в общую оболочку. К каждому мышечному волокну че­рез концевую пластинку присоединено окончание нерв­ного волокна. Мышечное волокно способно к сокраще­нию под действием нервного импульса и представляет собой функциональный элемент мышечной системы. Протяженность волокна может быть равна длине самой мышцы или значительной ее части. Волокна на каждом конце мышцы переходят в сухожилие, которое прини­мает на себя напряжение при сокращении.

Мышечное волокно в свою очередь содержит 1000— 2000 параллельных мышечных фибрилл (миофибрилл) диаметром около 1 мкм. Весь пучок миофибрилл обтя­нут мембраной мышечного волокна — плазмалеммой. Плазмалемма, подобно мембранам всех других клеток, состоит из трех слоев белков и липидов общей толщи­ной около 10 нм и электрически поляризована. Мем­бранный потенциал достигает 100 мВ. Сверху плазма-лемма покрыта тонким слоем коллагеновых нитей, об­ладающих упругими свойствами.

В мышечном волокне содержится много ядер, распо­лагающихся вблизи плазмалеммы, и большое количест­во митохондрий, находящихся между фибриллами. Ми­тохондрии являются центрами образования макроэрги-ческих соединений, прежде всего АТФ. Отсюда макро-эргические соединения через саркоплазму поступают к фибриллам.

При микроскопическом исследовании видно, что в скелетных мышечных волокнах правильно чередуются темные и светлые полосы, образуя характерную попе­речную полосатость. Поперечная полосатость волокон обусловлена поперечной полосатостью миофибрилл, рас­положенных строго определенно друг подле друга.

Применяя метод электронного микроскопирования и метод рентгеноструктурного анализа, удалось выяснить, что каждая миофибрилла состоит из параллельно лежа­щих толстых и тонких нитей — протофибрилл, чередую­щихся строго определенным образом (рис. 48). Даль­нейшие исследования позволили установить, что толстые нити образованы молекулами белка миозина, а тонкие

256

молекулами белка актина. Длина миозиновых нитей со­ставляет примерно 1,5 мкм, а актиновых 1 мкм; толщи­на — соответственно 16 и 5—7 нм.

В результате чередования толстых и тонких нитей возникает поперечная исчерченность, видимая под мик­роскопом. Для микроскопической картины поперечнопо­лосатой мышцы характерно чередование плотных ани­зотропных полос (их называют А-диски) и светлых изо­тропных полос (I-диски). В А-дисках миозиновые нити образуют гексагональную (шестиугольную) упаковку; именно они обусловливают высокую оптическую плот­ность дисков. Активные нити прикрепляются с каждой стороны к узкой белковой структуре, так называемой Z-мембране, которая пересекает I-диск. Отрезок мио-фибрилл, заключенный между двумя Z-мембранами, называется саркомером. В мышечном волокне в том ме­сте, где оба типа протофибрилл накладываются друг на друга, тонких протофибрилл в пучке в 2 раза боль­ше, чем толстых. Тонкие протофибриллы оканчиваются у края Н-зоны — области с более низкой оптической плотностью, находящейся в середине А-диска. В центре А-диска расположена узкая темная полоска, известная

17 Медицинская биофизика                                                                                                                  257

под названием линии М. Считают, что эта линия соот­ветствует небольшому утолщению, которое имеется в центре каждой толстой нити.

Как показали Хэнсон и Леви, актиновые протофиб-риллы имеют форму двойной спирали, образованную глобулярными молекулами актина. Вся структура напо­минает две плотные нитки бус, закрученные одна вокруг другой, где роль одной бусинки играет глобулярная мо­лекула актина. Миозиновые протофибриллы также пред­ставляют собой результат агрегации отдельных молекул миозина. До настоящего времени окончательно не вы­яснено, как происходит соединение молекул миозина в протофибрилле.

При увеличении до 600 000 раз на микрофотографиях продольного среза мышцы можно видеть, что пары тол­стых и тонких протофибрилл соединены поперечными мостиками. Эти поперечные мостики являются единст­венным связующим звеном между протофибриллами и обеспечивают структурную целостность мышцы. В даль­нейшем в результате применения метода рентгенострук-турного анализа было показано, что мостики образова­ны отростками миозиновых нитей, расположенных с ин­тервалом 6 — 7 нм. Мостики соединяют толстую нить с каждой из шести тонких нитей, располагаясь по спира­ли, витки которой повторяются через каждые 40 нм. В центральной части миозиновых протофибрилл мости­ки отсутствуют и на электронной микрофотографии этим участкам соответствует «псевдо Н-зона», обладающая более низкой оптической плотностью, чем Н-зона (см. рис. 48).

Ферментативные свойства актомиозина. Кальциевый насос. В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой (1939) было сделано очень важное открытие; они показали, что наряду с сократительными свойствами миозин обладает ферментативными свойствами, являясь ферментом аде-нозинтрифосфатазой, расщепляющей АТФ. В миофиб-риллах через поперечные мостики миозин образует комплексное соединение с актином. Энергия, выделяю­щаяся в процессе гидролиза АТФ, непосредственно ис­пользуется для сокращения актомиозинового комплек­са. Ферментативная активность актомиозина примерно в 10 раз выше активности одного миозина.

Как показано в работах на препаратах актомиозина, выделенного из мышц, ферментативная активность, а

258

следовательно, и способность к сокращению актомиози-нового комплекса сильно зависят от присутствия в среде ионов кальция. Многие ученые считают, что в отсутст­вие ионов кальция актомиозин вообще не способен рас­щеплять АТФ и сокращаться. При увеличении концент­рации кальция до определенного предела активность актомиозина увеличивается и достигает максимального значения при концентрации кальция, равной концентра­ции АТФ в среде. ПредпЬлагают, что ионы кальция вхо­дят в состав активных центров миозина, локализованных в области поперечных мостиков, и только после этого миозин проявляет АТФ-азную активность. Описанные опыты, а также ряд других заставили прийти к выводу, что непосредственной причиной, вызывающей расщеп­ление АТФ и сокращение миофибрилл, служит появле­ние свободных ионов кальция в саркоплазме. Так, инъекция раствора, содержащего ионы кальция, в сар­коплазму приводит к сокращению мышечного волокна при отсутствии нервного импульса и потенциала дейст­вия мышечного волокна. Наконец, с помощью специаль­ных индикаторов кальция было показано, что в момент сокращения волокна происходит увеличение концентра­ции ионов кальция в саркоплазме.

Согласно современным представлениям, в клетках функционирует специальный кальциевый насос, работа которого вызывает сокращение и расслабление миофиб­рилл. Этот насос, по мнению Бендолла, локализован в мембранах саркоплазматического ретикулума (эндо-плазматической сети) мышечного волокна. Саркоплаз-матический ретикулум состоит из поперечно и продоль­но расположенных в саркоплазме трубочек, цистерн, пу­зырьков, стенки которых имеют типичное мембранное строение. Поперечная система саркоплазматического ретикулума представляет собой впячивания плазмалем-мы, идущие внутрь в виде трубочек и охватывающие каждую фибриллу на уровне соединения А- и I-дисков в мышцах млекопитающих и на уровне Z-мембран у хо­лоднокровных. По поперечным трубочкам саркоплазма­тического ретикулума возбуждение в виде волны депо­ляризации передается от поверхности волокна, возбуж­даемой нервным импульсом, к миофибриллам.

Это подтверждается классическим опытом Хаксли с локальным раздражением мышечного волокна лягушки. Микроэлектродом наносили очень слабое подпороговое

17*                                                                                                 259

раздражение на различные участки волокна. Локаль­ное сокращение нескольких миофибрилл возникало только в случае нанесения раздражения на уровне 2-мембран, где локализованы трубочки поперечного сар-коплазматического ретикулума. От поперечного рети-кулума возбуждение передается расположенному между фибриллами продольному ретикулуму, где локализован кальциевый насос. Предполагается, что в процессе про­ведения возбуждения по мембранам ретикулума основ­ную роль играют не ионы натрия и калия, а ионы каль­ция и магния.

Деполяризация мембран трубочек и пузырьков сар-коплазматического ретикулума приводит к освобожде­нию содержащихся в них ионов кальция. Механизм ос­вобождения ионов кальция пока не установлен. Возмож­но, это связано с увеличением проницаемости мембран для ионов кальция при возбуждении и последующей диффузией их по концентрационному градиенту в сарко­плазму.

Появление свободных ионов кальция в саркоплазме приводит к проявлению АТФ-азной активности актомио-зина и к сокращению миофибрилл. Для сокращения мио­фибрилл необходимо также наличие ионов магния, ме­ханизм действия которых пока не установлен.

Процесс расслабления миофибрилл связан с удале­нием ионов кальция из саркоплазмы, осуществляемым саркоплазматическим ретикулумом. Элементы ретикулу­ма обладают способностью к активному поглощению ионов кальция из окружающего раствора. Препараты саркоплазматического ретикулума, выделенного из мышц путем дифференцированного центрифугирования их гомогенатов, обладают способностью поглощать ионы кальция из раствора. При этом в некоторых случаях кон­центрация кальция внутри пузырьков и цистерн рети­кулума превышала концентрацию кальция в окружаю­щем растворе в 2000 раз. Наличие активного переноса кальция при расслаблении миофибрилл подтверждается и тем, что концентрация кальция в саркоплазме после микроинъекции начинает постепенно уменьшаться, что сопровождается расслаблением миофибрилл. Возможно, как предполагает Бендолл, что обратный перенос каль­ция связан с самим движением протофибрилл при со­кращении, что исключает необходимость наличия специ­ального механизма активного переноса кальция.

260

Прежнее представление, согласно которому расслаб­ление вызывается освобождением специфического фак­тора расслабления — фактора Марша, оказалось оши­бочным. Этот фактор выделялся путем экстракции из го-могенатов мышц. Он содержал ферменты, имеющиеся в саркоплазме, и фрагменты ретикулума. Один из этих ферментов и был принят за фактор расслабления, хотя на самом деле расслабляющее действие оказывали фрагменты ретикулума.

Необходимо отметить, что расслабление миофибрилл при удалении ионов кальция из саркоплазмы происхо­дит только в том случае, если в саркоплазме содержит­ся АТФ. Удаление АТФ из саркоплазмы приводит к воз­никновению между актином и миозином сильных элект­ростатических связей, что обусловливает окоченение (контрактуру) мышцы и потерю ею способности к рас­тяжению.

Таким образом, сокращение миофибрилл вызывается расщеплением АТФ в присутствии ионов кальция, а рас­слабление — поступлением новых молекул АТФ к про-тофибриллам при отсутствии ионов кальция. Регулято­ром сокращения и расслабления миофибрилл является поступление ионов кальция в саркоплазму и их удаление в саркоплазматический ретикулум. Изложенные выше положения получили также подтверждение в опытах с глицеринизированными волокнами, методика получения которых была разработана в 1949 г. Сент-Дьерди. Если с помощью глицерина растворить клеточную оболочку и затем отмыть полученные волокна от глицерина, то можно получить хрупкие нити в состоянии окоченения. Удалив следы кальция и добавив в систему АТФ и ионы магния, получают мягкие растяжимые нити в состоянии расслабления. Если теперь снова добавить ионы каль­ция, то происходит сокращение нитей. Вновь удаляя кальций и добавляя АТФ, можно снова вызвать расслаб­ление волокон.

Восстановление первоначальной длины мышцы после сокращения обусловлено, вероятно, наличием упругих элементов в мышечных волокнах и работой мышц анта­гонистов. Упругими элементами мышечного волокна яв­ляются коллагеновая оболочка, покрывающая плазма-лемму, и, возможно, саркоплазматический ретикулум. Если с волокна снять сарколемму и заставить его сокра­титься, то волокно не может расслабиться спонтанно,

261

хотя легко вытягивается до первоначальной длины при действии внешней силы.

Теории механизма мышечного сокращения. До полу­чения данных о тонкой структуре мышц процессы мы­шечного сокращения пытались объяснить деформацией изолированных молекулярных цепей белков, т. е. удли­нением или укорочением отдельных белковых молекул или агрегатов молекул. Часто данные о деформации различных полимеров переносили на мышечное сокра­щение, без учета структуры мышечных волокон.

Так, в настоящее время известно много полиэлектро-литных полимерных систем, обладающих способностью к изменению длины при изменении химического состава окружающего раствора. Примером такой системы яв­ляется вытянутая цепочка полиакриловой кислоты. При подкислении раствора такая цепочка сокращается, в ще­лочной среде она, наоборот, растягивается. Если подве­сить к ней груз, то можно получить машину, совершаю­щую механическую работу при изменении рН раствора. Существуют также редокс-модели и ионные модели мышц, в которых факторами сокращения являются со­ответственно изменения редокс-потенциала и концент­рации свободных ионов.

Во всех этих моделях изменение длины полимеров происходит в основном в результате изменения элект­ростатического взаимодействия между звеньями поли­мера или между витками спирали в случае спиральных структур.

Существует множество гипотез, пытающихся объяс­нить мышечное сокращение на основе свойств индивиду­альных молекулярных цепей сократительных белков. Все эти гипотезы исходят из представления, что в основе сокращения мышцы лежат процессы конформационных изменений структуры белковых цепей. Так, Мейер еще в 1929 г. выдвинул гипотезу, согласно которой мышеч­ное сокращение обусловлено деформацией пептидных цепей вследствие изменения электростатического взаи­модействия ионогенных групп СООН и NН₂ при измене­нии рН (рис. 49).

В настоящее время считают, что изменение рН при возбуждении миофибрилл недостаточно, чтобы вызвать конформационные переходы белков, но может быть до­статочно для освобождения ионов кальция, которые уже могут вызвать деформацию белковой цепи.

262

Согласно другому представлению, акт сокращения представляет собой конформационный переход белковой структуры от α-конфигурации, когда нити линейно вытя­нуты, к р-конфигурации, когда нити собраны в клубок.

Однако эти гипотезы не смогли объяснить реальную картину сложного строения мышечного волокна на мо­лекулярном уровне, полученную в последнее время. Воз­можно, что при медленном сокращении гладких мышц происходит фактическая деформация (активное сокра­щение отдельных протофибрилл) белковых цепей, как считает Г. М. Франк, однако для сокращения скелетных мышц гораздо более обоснованными являются пред­ставления, исходящие из гипотезы скольжения нитей.

На основе изучения электронно-микроскопических фотографий А. Хаксли, Нидергерке и независимо от них Г. Хаксли и Хэнсон выдвинули гипотезу скольжения ни­тей. Ими было отмечено, что в широком интервале де­формаций как при сокращении, так и при растяжении миофибрилл ширина А-диска остается постоянной. На­против, при изменении длины саркомера изменяется ши­рина I-диска. Светлая Н-зона в А-диске также изме­няется, но замечательно, что до тех пор, пока она суще­ствует, расстояние от конца одной Н-зоны через Z-мем-брану до начала следующей Н-зоны (а это расстояние равно длине тонких нитей в миофибрилле) также остается постоянным. Если вспомнить, что А-диски об­разованы нитями миозина, а тонкие нити состоят из

263

актина, то можно заключить, что в большой области де­формаций мышцы длина миозиновых и актиновых нитей остается постоянной. Это можно объяснить только тем, что при сокращении мышцы нити просто скользят друг относительно друга без изменения своей длины.

При сильном сокращении мышцы в середине А-диска появляется плотная зона, причем ширина этой зоны увеличивается по мере сокращения мышцы. Эта плотная зона появляется после полного исчезновения Н-зоны. Уменьшение Н-зоны при сокращении вызывается скольжением тонких нитей навстречу друг другу к центру А-диска. Измерив расстояние от Z-мембраны до противолежащего конца новой плотной зоны (полосы сокра­щения), Г. Хаксли и Хэнсон обнаружили, что оно равна половине длины тонкой протофибриллы. На этом осно­вании они предположили, что новая зона соответствует тому участку саркомера, где концы противолежащих тонких нитей перекрываются друг с другом (рис. 50, по­ложение IV). Это предположение подтвердилось тем, что на микрофотографии поперечного среза мышцы в области новой плотной зоны было обнаружено в 2 раза больше тонких нитей, чем в остальной области А-диска. Кроме того, при сильном сокращении мышцы после ис­чезновения I-диска в области Z-мембран также появ­ляются темные полосы. Это объясняется тем, что миози-новые нити достигают Z-мембран и после этого происхо­дит их деформация (рис. 50, положение VI).

В дальнейшем данные электронного микроскопирования были подтверждены результатами рентгеноструктурного анализа. Было показано, что основные рефлек­сы рентгенограммы не изменяются при сокращении мышц. Это указывает на то, что длина нитей при сокра­щении не меняется. Приведенные данные очень важны, так как в отличие от электронно-микроскопических ис­следований, проводимых на фиксированных препаратах мышц, рентгенографические исследования проводились и на живых сокращающихся мышцах, и на нефиксиро­ванных ее препаратах.

Перемещение тонких нитей относительно толстых происходит, по мнению указанных авторов, при помощи мостиков, соединяющих миозиновые нити с актиновыми. Так как изменений в длине толстых и тонких нитей во время сокращения не происходит, то из модели сколь­жения нитей вытекает, что конформационные измене-

264

йия, порождающие движение, должны происходить в указанных мостиках, связывающих толстые и тонкие нити. Весь процесс сокращения имеет циклический ха­рактер. Миозиновые мостики прикрепляются к активным участкам актиновых нитей и под действием энергии гид­ролиза АТФ укорачиваются или изменяют угол наклона к миозиновым нитям, что приводит к определенному перемещению нитей друг относительно друга. Затем происходит отсоединение мостиков в данных участках актиновых нитей и присоединение их в новых участках. Этот циклический процесс повторяется многократно, в результате чего происходит непрерывное перемещение нитей друг относительно друга. Рентгенографические исследования подтвердили предположение о движение мостиков. По мнению Г. Хаксли, расщепление одной мо­лекулы АТФ приводит к одному замыканию и размыка­нию мостиков и к перемещению нитей на один элемен­тарный участок.

Как показали А. Хаксли (1958), Дещеревский (1968),. Волькенштейн (1970) и другие ученые, с позиций гипо-

265

тезы скольжения хорошо объясняются все особенности мышечного сокращения. Ими составлялись уравнения сокращения мышцы и производился математический и физический анализ модели скольжения нитей. В резуль­тате этого анализа были теоретически обоснованы тер­момеханические особенности мышечного сокращения, ранее полученные Хиллом эмпирическим путем.

Величина напряжения, развиваемого мышцей, опре­деляется количеством замыкаемых (функционирующих) мостиков. Если мышца преодолевает при сокращении внешнюю силу, то замыкается такое количество мости­ков, которое необходимо для уравновешивания этой си­лы. Максимальная сила, развиваемая мышцей, опреде­ляется количеством мостиков, которые могут замыкать­ся в данных условиях. Исходя из этих представлений, нетрудно объяснить обратную зависимость напряжения, развиваемого мышцей при сокращении, от скорости со­кращения. Для того чтобы мостики замкнулись, необхо­димо какое-то время. При увеличении скорости скольже­ния нитей количество замыкаемых мостиков уменьшает­ся, что обусловливает уменьшение напряжения, разви­ваемого мышцей.

В зависимости от длины саркомеров длина участков, в которых нити актина и миозина перекрываются друг с другом, будет различной и, следовательно, будет раз­лично количество мостиков, участвующих в создании напряжения, развиваемого мышцей. Учитывая, что мак­симальная сила миофибриллы определяется количеством функционирующих мостиков, следует ожидать, что мак­симальная сила изометрического сокращения миофиб­риллы будет изменяться с изменением длины саркоме-ра. На рис. 50 показано, как изменяются пространствен­ные отношения нитей при различной длине саркомеров. При длине саркомера 3,65 мкм (положение I) нити ак­тина и миозина уже не накладываются друг на друга и можно ожидать, что волокно не будет способно разви­вать силу. Под силой сокращения следует понимать раз­ность между общей силой, развиваемой при раздражении мышцей, и упругой восстанавливающей силой, обуслов­ленной эластическими элементами мышцы в случае ее растяжения сверх нормальной длины. По мере сближе­ния 2-мембран нити актина все глубже проникают в промежутки между нитями миозина и, наконец, при расстоянии 2,2 мкм (положение II) все мостики миози-

266

новых нитей приходят в контакт с нитью актина. Если именно эти мостики ответственны за возникновение си-лы, то следует ожидать, что в диапазоне от положения I до положения II сила будет пропорциональна степени перекрывания нитей. При дальнейшем укорочении во­локна чи.сло мостиков, которые могут замыкаться, не изменяется и сила должна оставаться постоянной, пока длина саркомера не уменьшится до 2,05 мкм (положе­ние III). В этот момент нити актина сходятся своими концами и сила должна убывать вследствие того, что тонкие нити, которые проникли дальше середины А-ди-ска, будут неправильно ориентированы по отношению к миозиновым мостикам. Сила должна постепенно убы­вать, пока расстояние не достигнет 1,65 мкм (положе­ние V), когда концы миозиновых нитей приходят в со­прикосновение с 2-мембранами. При дальнейшем сокра­щении нити миозина должны деформироваться; сила должна убывать быстрее и совсем исчезать, когда ак-тиновые нити доходят до противолежащих Z-мембран (положение VI).

Замечательно, что все эти предположения подтверди­лись экспериментально. Гордоном, А. Хаксли, Юлианом (1966) измерялось напряжение, развиваемое мышечным волокном при изометрическом сокращении, и одновре­менно методом фазово-контрастной микроскопии реги-

267

стрировалась длина саркомера. Полученные результаты приведены на рис. 51. Как следует из рисунка, все ра­нее предполагаемые изменения силы сокращения в за» висимости от длины саркомера в точности подтверж­даются экспериментами. Это является, пожалуй, самым убедительным доказательством справедливости гипо­тезы скольжения нитей. Таким образом, изложенной гипотезе в настоящее время можно придать статут те­ории.

Однако, несмотря на большие успехи в изучении ме­ханизма мышечного сокращения, все еще окончательно не установлен механизм работы мостиков, в результа­те которой энергия гидролиза АТФ превращается в ме­ханическую работу.

В настоящее время имеется ряд гипотез, пытающих­ся объяснить конкретный механизм взаимодействия ак-тиновых и миозиновых нитей.

Наиболее глубоко разработанной и обоснованной яв­ляется гипотеза Дэвиса. Согласно этой гипотезе, мостик между миозиновой и актиновой нитями образован поли­пептидными цепочками конца миозиновой молекулы, скрученными в спираль. В покое мостик вытянут — спи­раль находится в растянутом состоянии. Это обусловлено электростатическим отталкиванием двух отрицательных зарядов. Один из них находится в фиксированном со­стоянии у основания мостика, которое обладает АТФ-азной активностью. Другой отрицательный заряд локализован на конце мостика, с которым связана мо­лекула АТФ (рис. 52, позиция 1).

При возбуждении мышцы саркоплазматический ре-тикулум освобождает ионы кальция. Они образуют связь между молекулой АТФ, находящейся на конце мостика, и молекулой АДФ, расположенной на актино­вой нити, что вызывает нейтрализацию отрицательных зарядов (позиция 2). Электростатическое отталкивание исчезает и растянутая цепочка — мостик — скручивается в α-спираль благодаря образованию водородных связей (позиция 3). Этот процесс представляет собой освобож­дение потенциальной энергии, запасенной вытянутой полипептидной цепочкой при первоначальном отталки­вании зарядов. Укорочение полипгптидной цепи с об­разованием α-спирали приводит к двум эффектам. Во-первых, актиновая нить перемещается относительна миозиновой на один шаг; во-вторых, присоединенная

268

молекула АТФ перемещается в область гипотетического АТФ-азного центра. Благодаря соответствующему рас­положению этого центра и наклону мостиков относи­тельно толстой нити актиновые пита перемещаются в сторону М-линий. После этого АТФ расщепляется на АДФ и минеральный фосфат, что ведет к разрыву свя­зей между актином и миозином (позиция 4). На место молекулы АДФ в миозиновом мостике из саркоплазмы поступает новая молекула АТФ, которая отталкивается отрицательным фиксированным зарядом миозина. В ре­зультате этого α-спираль растягивается — мостик удли­няется (позиции 5—6). Если в саркоплазме в это время имеются свободные ионы кальция, то весь цикл повто­ряется сначала.

При этом во взаимодействии участвует уже следую­щий участок активной нити. Если же ионы кальция к

269

этому времени удалены из саркоплазмы, то волокно рас­слабляется.

Впоследствии по схеме Дэвиса были произведены термодинамические расчеты и получены результаты, со­гласующиеся с большой частью экспериментальных данных. При этом модель Дэвиса получила ряд допол­нений и подверглась модификациям. Бендолл (1970) предполагает, что присоединение ионов кальция в обла­сти мостиков приводит к изменению электрического взаимодействия. Нейтрализация отрицательных зарядов и присоединение актина к миозину обусловливают пре­вращение спирали полипептидной цепочки (мостика) молекулы миозина в более беспорядочную, сильно свер­нутую конформацию по типу перехода «спираль — клу­бок».

Такой переход сопровождается освобождением потен­циальной (свободной) энергии, запасенной в более упо­рядоченной структуре — спирали.

Эта энергия частично расходуется на тянущее уси­лие — перемещение нити актина на один шаг, а частич­но деградирует в тепло. Изменение конформации мости­ка одновременно вызывает сближение АТФ с АТФ-азным участком миозина, что вызывает гидролиз. АТФ.

Часть освободившейся энергии рассеивается в виде тепла, а часть ее идет на восстановление спиральной конфигурации мостика, который выпрямляется по мере ресинтеза АТФ или поступления новых молекул АТФ извне. Актомиозиновый комплекс распадается и цикл может повториться, если в системе присутствуют ионы кальция.

При отсутствии в системе молекул АТФ она будет находиться в состоянии окоченения — молекулы актина будут оставаться присоединенными к связывающим центрам миозина.

При очень сильных мышечных сокращениях отме­чается не только продвижение актиновых нитей, но и укорочение саркомеров в целом. По мнению Г. М. Фран­ка с сотрудниками (1966), это связано с прямым уко­рочением миозиновых нитей.

По-видимому, конформационные превращения при сильном сокращении мышц затрагивают не только об­ласть мостиков, но и более значительную часть миозино­вых молекул.

270