В статье рассмотрены возможности применения подходов, которые используются в физиологии сигнальных систем, для объяснения основных феноменов, связанных с изменениями, наблюдаемыми в скелетной мышце в условиях безопорности. Обсуждены роль сигнальных систем, зависящих непосредственно от мышечного напряжения, а также механизмы регуляции белкового синтеза в волокнах скелетной мышцы. Практическое значение этих исследований вполне очевидно: механоза-висимые сигнальные системы ответственны не только за поддержание нормальной структуры и функции мышцы в земной гравитационной среде, нарушение их работы может вызвать атрофию и атонию мышц у людей, длительное время находящихся на постельном режиме, страдающих неврологическими заболеваниями, включая спинальный травматизм.
СКЕЛЕТНАЯ МЫШЦА В БЕЗОПОРНОМ МИРЕ
ЕЩЁ ОДНО ПРИЛОЖЕНИЕ ФИЗИОЛОГИИ СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ
А. И. Григорьев, Б. С. Шенкман
Пластичность человеческого организма поистине безгранична. Отвечая на бесчисленные вызовы окружающего мира, органы и ткани бесконечно варьируют свою активность и характер функционирования, а затем, реагируя на хронические изменения уровня активности, обеспечивают уже долговременные изменения структуры, функции и обмена веществ. Скелетная мышца -один из наиболее пластичных органов. В зависимости от потребности организма в движении, поддержании вертикальной позы, её активность может многократно меняться.
Как работает скелетная мышца. Основной структурной единицей скелетной мышцы является мышечное волокно, иногда именуемое мышечной клеткой (рис. 1). В мышечном волокне имеются совершенно уникальные структуры - миофибрил-лы - молекулярные моторы, обеспечивающие механическое сокращение волокна за счёт энергии макроэргических связей молекулы АТФ. Это со-
Авторы работают в ГНЦ "Институт медико-биологических проблем РАН". ГРИГОРЬЕВ Анатолий Иванович - академик, директор института. ШЕНКМАН Борис Стивович - доктор биологических наук, заведующий лабораторией.
кращение выполняется при взаимодействии двух основных видов микронитей, составляющих мио-фибриллы, - тонких (актиновых) и толстых (мио-зиновых) филаментов. Природа такого взаимодействия открыта сэром X. Хаксли, Э. Хаксли и их соавторами в 50-х годах прошлого века.
Генерация усилия осуществляется в рамках саркомера - элементарной структурной единицы миофибрилл (рис. 2). Длина саркомера 2.4-2.6 мкм, один саркомер от другого отделяет прочное сплетение цитоскелетных и регуляторных белков -2-диск. Именно в нём "заякоривается" (это не жаргон, а общепринятый термин) часть цитоскелетных молекул саркомера, которые в свою очередь служат основой для сборки актиновых и миозиновых нитей. Сократительные нити соединяются в единую систему другим комплексом цитоскелетных белков - М-диском, располагающимся в середине саркомера. Миозиновые молекулы соединены с 2-диском гигантским белком титином (от слова "титан"). Этот белок характеризуется самой большой длиной (более 1 мкм) и молекулярной массой (3700 кДа) в мире биологических полипептидов. Он находится между 2- и М-дисками.
У молекулы титина много функций. Считают, что самосборка миозиновых нитей, образованных тысячами миозиновых молекул, в период формирования мышечного волокна осуществляется именно на матрице титина. Особое внимание в молекуле титина привлекает небольшой фрагмент, расположенный между миозином и 2-дис-ком - РБУК-домен (см. рис. 2). Как показывают исследования, выполненные с помощью атомного силового микроскопа, этот фрагмент титановой молекулы обладает свойствами реальной физической пружины [1]. В значительной степени именно за счёт растяжения "пружины" (и некоторых других участков молекулы титина) при рас-
Саркомер
Рис. 1. Уровни организации скелетной мышцы (по А. МакКомасу)
тяжении мышечного волокна наблюдается обратимое увеличение длины саркомера. У титина в последние годы обнаружили и другие неожиданные свойства, к которым мы ещё вернемся. Ци-
тоскелетным каркасом тонких нитей служит другой белок - небулин, формирующий единые тонкие миофиламенты из множества актиновых молекул.
Регуляция мышечного сокращения осуществляется двигательными нейронами (мотонейронами) передних рогов спинного мозга, каждый из которых иннервирует группу мышечных волокон. При этом каждое волокно "принадлежит" только одному мотонейрону. Мотонейрон вместе с группой мышечных волокон, которые он иннервирует, принято называть двигательной единицей. Двигательные единицы и, соответственно, мышечные волокна можно разделить на два основных типа: медленные и быстрые. Медленные мотонейроны более чувствительны и генерируют низкочастотные импульсы (примерно 10-15 Гц). Быстрые мотонейроны более устойчивы к внешним влияниям, частота их импульсации - 40 Гц и выше. Медленные волокна демонстрируют высокую выносливость, устойчивость к утомлению, большую длительность как сокращения, так и расслабления, а быстрые - большую скорость и силу сокращения. Различия в свойствах быстрых и медленных волокон определяются прежде всего тем, какие изоформы миозиновых молекул синтезируются в волокне. В медленном волокне синтезируется (экспрессируется) преимущественно миозин медленного типа, в быстром волокне -миозин быстрого типа. Эти изоформы суще-
а
Саркомер-
Нмн
Титин
РБУК
ими
Титин Миозин
_4 4 4 й й 8 * ч \ ^ 10 у и и 0 0 и и_
Актин + небулин \ у
7-диск
М-диск
7-диск
Рис. 2. Структура саркомера (по И. Агарковой)
а - электронная микрофотография продольного среза миофибриалы; б - схема строения саркомера, видны толстые миофиламенты, содержащие миозин и титин, тонкие миофиламенты, содержащие актин и небулин, цитоскелетные комплексы М- и 7-дисков
ственно различаются по ряду свойств, но главным образом по скорости и длительности реакции распада АТФ, что и определяет скорость и продолжительность мышечного сокращения.
Нервный импульс передаётся через нервно-мышечный синапс и распространяется по мембране мышечного волокна (сарколемме) в виде электрического сигнала (потенциала действия), который и запускает мышечное сокращение. Для этого в мышечном волокне имеется молекулярный комплекс, именуемый системой электромеханического сопряжения (рис. 3). Специальные белковые структуры наружной клеточной мембраны, медленные кальциевые каналы воспринимают электрический импульс, распространяемый по мембране, изменяют свою форму и, реагируя на присутствие кальция во внешней среде, открывают каналы внутриклеточной структуры, сарко-плазматического ретикулума, содержащего огромные запасы кальция. Через каналы ионы кальция поступают в цитоплазму и достигают миофиб-рилл, где запускают образование поперечных мостиков - соединений актина и миозина, - происходит мышечное сокращение. Предстоит разгадать ещё немало загадок, связанных со строением и функционированием мышечного волокна, и одна из самых интересных - удивительная пластичность скелетной мышцы.
Пластичность скелетной мышцы при физической тренировке и в невесомости. За два-три месяца силовой тренировки толщина (площадь поперечного сечения) мышечных волокон может возрасти на 30-50%, за четыре месяца постоянного пребывания в постели толщина волокон кам-баловидной мышцы человека снижается на 50% и более. При тренировке выносливости увеличивается количество капилляров и митохондрий, а если мышцу сокращать с помощью небольших, низкочастотных импульсов электрического тока в течение четырех-восьми часов в день, то можно добиться и значительного увеличения числа волокон медленного типа за счёт преобразования -трансформации - быстрых волокон [2]. Происходит трансформация путём повышения синтеза молекул медленных изоформ миозина и уменьшения синтеза быстрых изоформ. Особенно загадочным выглядит этот феномен, если учитывать тот факт, что ядра всех мышечных волокон содержат гены всех известных изоформ миозина. Вопрос лишь в том, каким генам экспрессия в данный момент "разрешена", а каким - нет.
Ещё более удивительные вещи наблюдаются при относительном бездействии мышц. Наиболее известная форма такого бездействия - разгрузка мышц в условиях невесомости. К.Э. Циолковский предсказывал, что в условиях космического полёта мышцы конечностей и туловища будут умень-
Миофибрилла
Рис. 3. Электромеханическое сопряжение (по А. Мак-Комасу)
Изменение структуры электрочувствительного кальциевого канала (Ь-Са-канал) наружной клеточной мембраны приводит к открытию рианодиновых кальциевых каналов сар-коплазматического ретикулума и многократному увеличению концентрации ионов кальция в цитоплазме мышечного волокна. Это увеличение и делает возможным взаимодействие актина и миозина - мышечное сокращение
шаться в объёме, атрофироваться, что действительно происходит с мышцами космонавтов, если они по тем или иным причинам не выполняют предписываемый им режим физических нагрузок. Связано это с повышением интенсивности распада белка, снижением уровня его синтеза. Ещё на несколько интереснейших процессов было обращено особое внимание исследователей в последнее время. Так, уже в первые часы-дни полёта мышцы (преимущественно осевые мышцы голени, в наибольшей степени - камбаловидная мышца, содержащая до 85% медленных волокон, мышцы позвоночника и шеи) теряют тонус, жёсткость и упругость. Мышцы становятся мягкими, податливыми, рыхлыми. Кроме того, в мышцах космонавтов, а также крыс, отправленных в полёт на биоспутнике, наблюдается процесс, обратный тому, что происходит при постоянной повышенной активности мышц: резко усиливается интенсивность синтеза изоформ миозина быстрого типа и снижается экспрессия медленного миозина [3].
Что такое сигнальные системы. В последние годы стало ясно, что почти все феномены мышечной пластичности можно попытаться объяснить на основе совершенно нового класса явлений, именуемого процессами сигналлинга, или молекулярной сигнализации. Для большинства клеточных типов открыт ряд механизмов, опосредующих передачу информации от рецепторов гормонов и других гуморальных регуляторов, а также от синапса и деполяризованной мембраны к ядерным регуляторам транскрипции, которые определяют избирательную активность тех или
иных генов, и соответственно избирате
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.