БИОФИЗИКА, 2008, том 53, вып.6, с. 1087-1094
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
УДК 577.353.22
СОКРАТИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ИЗОЛИРОВАННОЙ musculus soleus И ЕЕ СКИНИРОВАННЫХ ВОЛОКОН НА РАННИХ ЭТАПАХ ГРАВИТАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ: ФАКТЫ И ГИПОТЕЗЫ
© 2008 г. Е.В. Пономарева*, В.В. Кравцова**, Е.В. Качаева*, Э.Г. Алтаева*, И.М. Вихлянцев***, З.А. Подлубная***, И.И. Кривой**, Б.С. Шенкман*
*ГНЦ РФ - Институт медико-биологических проблем РАН, 123007, Москва, Хорошевское шоссе, 76А;
**Санкт-Петербургский государственный университет, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9;
***Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290, Пущино Московской области, Институтская ул., 3 E-m ail: ропот areva1984@list. ru Поступила в редакцию 26.06.08 г.
Проведено исследование сократительных возможностей постуральной musculus soleus крысы на ранних этапах гравитационной разгрузки (трехсуточное антиортостатическое вывешивание) с использованием различных моделей м+ышечного сокращения (одиночное и тетаническое сокращения изолированной мышцы, Ca -индуцированное сокращение изолированного ски-нированного волокна). Наблюдалось достоверное (р < 0,01) усиление одиночных сокращений мышц вывешенных крыс без изменения временных характеристик, отмечена лишь некоторая тенденция к уменьшению времени полурасслабления. Диаметр волокон практически не изменился (42,37 ± 0,76 и 43,43 ± 1,15 мкм в контроле). Значения абсолютной силы Са2+-инду-цированного сокращения скинированных волокон в контроле и при вывешивании составили 37,6 ± 1,52 и 32,1 ± 1,05 мг (р < 0,05) соответственно, удельной силы: 27,6 ± 2,36 и 23,14 ± 0,77 кН/м . Не было обнаружено изменений в пороговой концентрации кальция, при этом значения рСа50 значительно сдвигались от 6,05 ± 0,02 в контроле к 5,97 ± 0,02 в группе «вывешивание» (р < 0,05). Коэффициент кооперативности цп в контроле был равен 3,46 ± 0,16, а при вывешивании уменьшался до 3,08 ± 0,11 (р < 0,05). При исследовании с помощью кальциевого зонда выявлено значительное увеличение концентрации ионов кальция в волокнах после вывешивания, в то время как относительное содержание белков саркомерного цитоскелета не изменилось.
Ключевые слова: гравитационная разгрузка, т. soleus, скинированные волокна, кальций, одиночное сокращение, тетанус.
Снижение сократительной способности по-стуральных мышц при их функциональной инактивации определяется не только, а на начальной стадии экспозиции не столько, уменьшением объема сократительного аппарата, но и снижением мышечного тонуса, механизмы которого остаются в значительной степени неясными [1-3]. Эти механизмы, по-видимому, реализуются как на уровне работы нервных центров и синаптической передачи, так и непосредственно в мышечных волокнах, где в последние годы выявлены белки, обладающие уникальными упруго-эластическими свойствами (тайтин и др. белки саркомерного цитоскелета) [4]. При функциональной разгрузке в расслабленном волокне наблюдается также значительное накопление ионов кальция [5].
В то же время исследования сократительных характеристик постуральных мышц и мышечных волокон при коротких сроках экспозиции в условиях функциональной разгрузки остаются весьма немногочисленными. Снижение как максимальной произвольной силы, так и поперечной жесткости мышц голени человека было выявлено в экспериментах с кратковременной «сухой» иммерсией [6]. Авторы цитируемых работ связывают эти изменения с существенными сдвигами в порядке рекрутирования двигательных единиц, обнаруженными после аналогичного воздействия [7]. В работе [8] не было обнаружено достоверного снижения максимальных сократительных возможностей головок трехглавой мышцы голени человека при электрически вызванных сокращениях после семи суток пребывания в условиях безопорности (при
использовании модели «сухой» иммерсии). Что же касается характеристик единичных мышечных волокон, то нами было обнаружено достоверное снижение максимального изометрического напряжения волокон m. soleus человека после семи суток «сухой» иммерсии, которое сопровождалось значительной редукцией площади поперечного сечения волокон и снижением относительного содержания тайтина и не-булина в этой мышце [9]. Расхождение наших данных с данными автора работы [8] может быть связано с тем, что в экспериментах [8] регистрировались суммарные силовые показатели всех головок трехглавой мышцы голени, в то время как подверженность этих головок действию функциональной разгрузки весьма неодинакова. Так, известно, что снижение сократительных свойств волокон m. soleus крысы после космического полета сопровождалось отсутствием глубоких изменений в волокнах m. gastrocnemius [10]. Не исключено и то, что изменения силы вызванного сокращения отражают не только сниженные возможности миофиб-риллярного аппарата, но и изменения в механизмах электромеханического сопряжения. Особенно это касается силы одиночного сокращения. В то же время известно, что гравитационная разгрузка приводит к увеличенному выбросу ионов кальция из саркоплазматического ретикулума [11]. При гравитационной разгрузке также было зарегистрировано значительное увеличение экспрессии рианодиновых каналов I типа [12].
В отличие от ряда параметров электрически вызванного сокращения, максимальная сила Са2+ индуцированного сокращения скинирован-ных волокон отражает преимущественно состояние миофибриллярного комплекса. При этом изменения функционирования разных механизмов, вовлеченных в акт мышечного сокращения, могут отличаться как по направленности, так и по амплитуде.
В работе [13] было обнаружено снижение максимальной изометрической индуцированной кальцием силы скинированных волокон m. soleus крысы примерно на 40% уже после семи суток вывешивания. При этом уменьшение диаметра скинированного волокна было существенно менее выражено (на 16%). Понятно, что удельная сила (specific tension) оказалась достоверно уменьшенной на 15%. Авторы цитируемой работы связывают изменение удельной силы волокон в начальный период разгрузки со снижением их продольной жесткости, которая к 21 дню воздействия возвращается на контрольный уровень, что сопровождается таким же возвращением к контрольному уровню и удельной силы волокон. В этом же эксперименте было показано и уменьшение кальциевой чувствительности скинированных волокон.
Кальциевая чувствительность обычно регистрируется по изменениям двух основных параметров: значениям отрицательного логарифма концентрации кальция, вызывающей минимальное мышечное сокращение (рСатп1) и значениям рСа50, соответствующего концентрации ионов кальция, вызывающей сокращение силой 50% от максимального. Изменение кальциевой чувствительности обычно связывают с изменениями кальциевой аффинности тропонин-тропо-миозионового комплекса тонких миофиламен-тов или с изменениями механизма замыкания поперечных мостиков, связанного в значительной степени с работой белков саркомерного цитоскелета (тайтина и небулина) [14]. Известно, что при гравитационной разгрузке наблюдаются увеличенная экспрессия «быстрых» изо-форм тропонина (прежде всего, тропонина Т) [15], «быстрых» изоформ тяжелых цепей миозина [16] и снижение относительного содержания тайтина и небулина [17-20]. Интересно и то, что при действии кальцийсвязывающего агента на фоне 14-суточного антиортостатиче-ского вывешивания задних конечностей крыс удалось предотвратить снижение кальциевой чувствительности скинированных волокон т. 8о1еш [21]. На основе всех имеющихся данных, нами была сформулирована гипотеза, связывающая снижение кальциевой чувствительности скинированных волокон при гравитационной разгрузке с накоплением ионов кальция, вызывающим кальпаин-зависимую деградацию белков саркомерного цитоскелета. В настоящее время, применительно к средней продолжительности экспозиции животных в условиях, моделирующих действие гравитационной разгрузки, нам не удалось найти литературных данных, противоречащих высказанной гипотезе. Однако почти ничего не известно о сократительных свойствах постуральной мышцы и факторах, которые их определяют, при коротких (до трех суток) сроках экспозиции. Исследование этого вопроса и стало предметом настоящей работы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Использовали самцов крыс линии в
возрасте двух месяцев, средняя масса 210 -230 г. В рамках эксперимента, животные были разделены на две независимые группы по 14 крыс в каждой. В одной группе изучали сократительные характеристики целой мышцы, в другой - сократительные характеристики одиночных мышечных волокон и изменение концентрации кальция в них. Подопытные животные каждой группы были разделены на две подгруппы по семь крыс в каждой: подгруппа «контроль» и подгруппа «вывешивание». В подгруппе «контроль» животные содержались в стандартных виварных условиях. В подгруппе
«вывешивание» проводили антиортостатиче-ское вывешивание в течение трех дней. Для моделирования действия гравитационной разгрузки использовали вывешивание крыс по стандартной методике Морей-Холтон [22] .
Регистрация сократительных характеристик целой мышцы. Эксперименты проведены на изолированных препаратах m. soleus. Использовали m. soleus одной из конечностей каждой крысы. После экстирпации мышцу с входящим в нее отрезком нерва помещали в экспериментальную камеру с проточным физиологическим раствором следующего состава (в моль/л): NaCl - 137; KCl - 5; CaCl2 - 2; MgCl2 - 2; NaHCO3 - 24; NaH2PO4 - 1; глюкоза - 11 (рН 7,4). Раствор постоянно аэрировали карбогеном (95% O2 + 5% CO2), температура раствора составляла 28°C. Перед началом эксперимента мышцы выдерживали в этих условиях в течение 60 мин.
Одиночные и тетанические (стимуляция пачками импульсов с частотой 66 имп/с; длительность пачки - 0,4 с) сокращения в ответ на прямое раздражение (длительность стимула 0,5 мс) регистрировали в изометрическом режиме при помощи механотрона FT03 C (Grass Instrument Co, Ошпсу, Massa^me^, CfflA). Раздражение осуществляли с помощью хлорсереб-ряных электродов, один из которых располагали под мышцей, а другой - на ней. Электроды располагали в безнервной части мышцы. Определяли максимальную силу и время нарастания сокращения (10 - 90 % от ма
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.