Электромеханическое сопряжение физиология. Электромеханическое сопряжение в мышцах

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.

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.

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. Основные этапы этого процесса можно проследить по схеме рис. 7.11.

Рис. 7.11. Схема электромеханического сопряжения в кардиомиоците (М — клеточная мембрана-сарколемма, СР — саркоплазматический ретикулум, МФ …
— миофибрилла, Z — z-диски, Т — Т-система поперечных трубочек); 1 — поступления Na + и 2 — поступления Са 2+ в клетку при возбуждении мембраны, 3 — "кальциевый залп", 4 — активный транспорт Са 2+ в СР, 5 — выход из клетки К + , вызывающий реполяризацию мембраны, 6 — активный транспорт Са 2+ из клетки

Процесс сокращения кардиомиоцита происходит следующим образом

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 плазматической мембраны в ней и в Т-трубочках 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 ≈ 10 -3 моль / л), и высвобождает кальций из пузырьков СР, в результате чего возникает так называемый "кальциевый залп". Ионы Са 2+ из СР поступают на актин-миозиновый комплекс МФ, 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 заканчиваются внутрь саркоплазматического ретикулума;

5 — процесс электромеханического сопряжения заканчивается тем, что К + пассивно выходит из клетки, вызывая реполяризацию мембраны;

6 — ионы Са 2+ активно выводятся во внеклеточную среду с помощью кальциевых насосов сарколеммы

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. Описанный выше двухступенчатый процесс сопряжения доказан экспериментально. Опыты показали, что: а) отсутствие потока кальция извне клетки j Ca прекращает сокращение саркомеров, б) в условиях постоянства количества кальция, высвобождаемого из СР, изменение амплитуды потока кальция 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.

Следует отметить, что не во всех мышечных клетках орга­низма процесс сопряжения происходит, как в кардиомиоците. Так, в скелетных мышцах теплокровных потенциал действия короткий (2-3 мс) и медленный поток ионов кальция в них отсутствует. В этих клетках сильно развита Т-система поперечных трубочек, подходящих непосредственно к саркомерам близко к z-дискам. Изменения мембранного потенциала во время деполяризации через Т-систему передается в таких клетках непосредственно на мембрану СР, вызывая залповое высвобождение ионов Са 2+ и дальнейшую активацию сокращения (3, 4, 5).

Общим для любых мышечных клеток является процесс освобождения ионов Са 2+ из внутриклеточных депо — саркоплазматического ретикулума и дальнейшая активация сокращения. Ход кальциевого выброса из СР экспериментально наблюдается с помощью люминесцирующего в присутствии ионов Са 2+ белка экворина, который был выделен из светящихся медуз.

Задержка начала развития сокращения в скелетных мышцах составляет 20 мс, а в сердечной - несколько больше (до 100 мс).

Яд кураре, которым пользуются охотники Амазонки, парализует жертву как раз благодаря тому, что молукулы этого яда, попав в кровь проникают к рецепторам ацетилхолина и усаживаются на них, так что когда к этим рецепторам приходит сам ацетилхолин, свободных мест уже нет, и процесс передачи сигнала на мышечные сокращения преравается. Аналогично работает белок ботулин, вызывающий одно из опаснейших пищевых отравлений, ботулизм. А вот вирус полиомелита разрушает те нервные волокна, по которым с помощью кальция подаются сигналы на мышечные сокращения, и мышцы, оставшись без употребления, постепенно высыхают. С другой стороны, этот же «кальциевый привод» можно использовать в благодетельных целях. Так, сердечыные больные нуждаются в понижении ритма биений сердца, в противном случае оно при нагрузках будет требовать больше кислорода, чем способны дать сузившиеся из-за атеросклероза сосуды. Этим людям помогают «β-блокаторы» – препараты, которые несколько блокируют кальциевые каналы, тем самым понижая уровень кальция и, соответственно, уменьшая размах сокращений сердечной мышцы.

Перемещения внутри обычных клеток осуществляют другие моторы, и в отличие от миозина их изучение началось в 1985 году, когда Том Рииз и Майкл Шитц открыли первый из них – кинезин. Молекула кинезина по своей форме напоминает молекулу миозина – те же округлые головки на длиной ножке. Двумя головками молекула хватается за поверхность микротрубочки, а к торчащей вверх ножке крепится пузырек с химическими веществами. Под воздействием АТФ молекула изгибается, так что ее передняя головка уходит чуть дальше от задней и в результате хватается за микротрубочку чуть дальше по ходу движения; затем задняя головка вновь подтягивается к передней. Затем этот «силовой толчек» повторяется. В итоге пузырек, сидящий на ножке молекулы, рывками движется по микротрубке. Картина напоминает ползущую по ветке гусеницу. Кинезин способен переносить пузырьки с необходимыми клетке химическими веществами только в одном направлении – от центра клетки к ее переферии, а динеин движется в обратном направлении Микротрубки имеют встроеные в них однонаправленные блочные конструкции (с «головой» и «хвостом»). Пока непонятно, как пузырьки узнают, в какую сторону им двигаться. В 1990 году Ричард Велли открыл еще один вид молекулярного мотора — «динамин». В настоящее время считается, что в клетках действует не менее полусотни переносящих или передвигающих груз молекул работающих по отному принципу – преобразование химической энергии в энергию изменения формы гибкой молекулы, которая за счет этого изменения способна «хватать и перехватывать» некое длинное негибкое внутриклеточное волокно и «ползти» по нему с грузом. Кроме того, молекула динеина соединяется с энергетической молекулой АТФ, происходит нечто вроде натягивания лука – центр динеиновой молекулы выходит вперед, а угол между ее концами уменьшается (как сближаются концы лука). Затем, после выполненной работы, молекула динеина как бы «распрямляется» – происходит «силовой толчок» и один конец смещается относительно другого на 15 нм. Такой механизм был расскрыт под руководством С. Берджесса в 2003 году группой ученых

Молекулы осуществляющие функцию движения в нашем теле (а- кинезин, б- динеин, в- миозин). Б) «Молекулярный мотор» кинезина, при помощи которого молекула переносит по микротрубочкам различные вещества.

Потребности работающей мышцы в АТФ удовлетворяются за счет следующих ферментативных реакций:

1. Резерв в виде креатинфосфата. Быстрая регенерация АТФ может быть достигнута за счет переноса фосфатной группы креатинфосфата на АДФ (ADP) в реакции, катализируемой креатинкиназой . Однако и этот мышечный резерв «высокоэргического фосфата» расходуется в течение нескольких секунд. В спокойном состоянии креатинфосфат вновь синтезируется из креатина. При этом фосфатная группа присоединяется по гуанидиновой группе креатина (N-гуанидино-N-метилглицина). Креатин, который синтезируется в печени, поджелудочной железе и почках, в основном накапливается в мышцах. Здесь креатин медленно циклизуется за счет неферментативной реакции с образованием креатинина, который поступает в почки и удаляется из организма.

2 Анаэробный гликолиз. В мышечной ткани наиболее важным долгосрочным энергетическим резервом является гликоген. В покоящейся ткани содержание гликогена составляет до 2% от мышечной массы. При деградации под действием фосфорилазы гликоген легко расщепляется с образованием глюкозо-6-фосфата, который при последующем гликолизе превращается в пируват. При большой потребности в АТФ и недостаточном поступлении кислорода пируват за счет анаэробного гликолиза восстанавливается в молочную кислоту (лактат), которая диффундирует в кровь.

3. Окислительное фосфорилирование. В аэробных условиях образующийся пируват поступает в митохондрии, где подвергается окислению. Окислительное фосфорилирование — наиболее эффективный и постоянно действующий путь синтеза АТФ. Однако этот путь реализуется при условии хорошего снабжения мышц кислородом. Наряду с глюкозой, образующейся при расщеплении мышечного гликогена, для синтеза АТФ используются и другие "энергоносители", присутствующие в крови: глюкоза крови, жирные кислоты и кетоновые тела.

4. Образование инозинмонофосфата [ИМФ (IMP)]. Другим источником быстрого восстановления уровня АТФ является конверсия АДФ в АТФ и АМФ (AMP), катализируемая аденилаткиназой (миокиназой). Образовавшийся АМФ за счет дезаминирования частично превращается в ИМФ (инозинмонофосфат), что сдвигает реакцию в нужном направлении.

Из всех способов синтеза АТФ наиболее продуктивным является окислительное фосфорилирование. За счет этого процесса обеспечиваются потребности в АТФ постоянно работающей сердечной мышцы (миокарда). Вот почему для успешной работы сердечной мышцы обязательным условием является достаточное снабжение кислородом (инфаркт миокарда - это следствие перебоев в поступлении кислорода).

В высокоактивных (красных) скелетных мышцах источником энергии для рефосфорилирования АДФ служит окислительное фосфорилирование в митохондриях. В обеспечении этих мышц кислородом принимает участие миоглобин (Mb) — близкий гемоглобину белок, обладающий свойством запасать кислород. В малоактивных скелетных мышцах, лишенных красного миоглобина и поэтому белых, главным источником энергии для восстановления уровня АТФ является анаэробный гликолиз. Такие мышцы сохраняют способность к быстрым сокращениям, однако они могут работать лишь короткое время, поскольку при гликолизе образование АТФ идет с низким выходом. Спустя некоторое время мышцы истощаются в результате изменения рН в мышечных клетках.

Расщепление гликогена контролируется гормонами. Процесс гликогенолиза стимулируется адреналином (через b-рецепторы) за счет образования цАМФ и активации киназы фосфорилазы. Активация фосфорилазы наступает также при увеличении концентрации ионов Са 2+ во время мышечного сокращения.

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 .

Электромеханическое сопряжение - это последовательность процессов, в результате которых потенциал действия плазматической мембраны мышечного волокна приводит к запуску цикла поперечных мостиков . Плазматическая мембрана скелетных мышц электрически возбудима и способна генерировать распространяющийся потенциал действия посредством механизма, аналогичного тому, который действует в нервных клетках (см. " Проведение возбуждения между клетками ". Потенциал действия в волокне скелетной мышцы длится 1-2 мс и заканчивается раньше, чем появятся какие-либо признаки механической активности ( рис. 30.14). Начавшаяся механическая активность может продолжаться более 100 мс. Электрическая активность плазматической мембраны не оказывает прямого влияния на сократительные белки, а вызывает повышение цитоплазматической концентрации ионов Са2+, которые продолжают активировать сократительный аппарат и после прекращения электрического процесса.

В состоянии покоя в мышечном волокне концентрация свободного ионизированного Са2+ в цитоплазме вокруг толстых и тонких филаментов очень низка, около одной десятимиллионной доли моля/л. При такой низкой концентрации ионы Са2+ занимают очень небольшое количество участков связывания на молекулах тропонина, поэтому тропомиозин блокирует активность поперечных мостиков . После потенциала действия концентрация ионов Са2+ в цитоплазме быстро возрастает, и они связываются с тропонином , устраняя блокирующий эффект тропомиозина и инициируя цикл поперечных мостиков. Источником поступления Са2+ в цитоплазму является саркоплазматический ретикулум мышечного волокна.

Саркоплазматический ретикулум мышц гомологичен эндоплазматическому ретикулуму других клеток. Он располагается вокруг каждой миофибриллы наподобие "рваного рукава", сегментами которого окружены A-диски и I-диски ( рис. 30.15). Концевые части каждого сегмента расширяются в виде так называемых латеральных цистерн , соединенных друг с другом серией более тонких трубок. В латеральных цистернах депонируется Са2+; после возбуждения плазматической мембраны он высвобождается.

Отдельную систему составляют поперечные трубочки (T-трубочки) , которые пересекают мышечное волокно на границе A-дисков и I-дисков , проходят между латеральными цистернами двух смежных саркомеров и выходят на поверхность волокна, составляя единое целое с плазматической мембраной. Просвет Т-трубочки заполнен внеклеточной жидкостью, окружающей мышечное волокно. Ее мембрана, как и плазматическая, способна к проведению потенциала действия. Возникнув в плазматической мембране, потенциал действия быстро распространяется по поверхности волокна и мембране Т-трубочек в глубь клетки. Достигнув области Т-трубочек, прилегающих к латеральным цистернам, потенциал действия активирует потенциалзависимые "воротные" белки их мембраны, физически или химически сопряженные с кальциевыми каналами мембраны латеральных цистерн. Таким образом, деполяризация мембраны Т-трубочек. обусловленная потенциалом действия, приводит к открыванию кальциевых каналов мембраны латеральных цистерн, содержащих Са2+ в высокой концентрации, и ионы Са2+ выходят в цитоплазму. Повышение цитоплазматического уровня Са2+ обычно бывает достаточным для активации всех поперечных мостиков мышечного волокна.

Процесс сокращения продолжается, пока ионы Са2+ связаны с тропонином , т.е. до тех пор, пока их концентрация в цитоплазме не вернется к исходному низкому значению. Мембрана саркоплазматического ретикулума содержит Са2+-АТФазу - интегральный белок, осуществляющий активный транспорт Са2+ из цитоплазмы обратно в полость саркоплазматического ретикулума. Са2+ высвобождается из ретикулума в результате распространения потенциала действия по Т-трубочкам ; для его возвращения в ретикулум нужно гораздо больше времени, чем для выхода. Поэтому повышенная концентрация Са2+ в цитоплазме сохраняется в течение некоторого времени и сокращение мышечного волокна продолжается после завершения потенциала действия.

Подведем итог. Сокращение обусловлено высвобождением ионов Са2+, хранящихся в саркоплазматическом ретикулуме; когда Са2+ поступает обратно в ретикулум, сокращение заканчивается и начинается расслабление ( рис. 30.16). Источником энергии для кальциевого насоса служит АТФ - это одна из трех его главных функций в мышечном сокращении (