Биохимия мышц

1.

Биохимия мышц
Автор-составитель :
Проф. Е.О. Данченко
ВГУ имени П.М. Машерова

2.

Биохимические функции мышц
мышечное сокращение и расслабление,
регуляция этих процессов;
энергетическое обеспечение мышечной
деятельности;
метаболизм, обеспечивающий
осуществление биохимических функций
мышц.

3.

4.

Структура и функции трех типов мышц

5.

Типы волокон скелетных мышц
Мышечное волокно - структурная
единица мышечной ткани, которое состоит из:
миофибрилл (сократительных элементов)
митохондрий (энергопродукция)
ядер (регуляция)
сарколемы (соединительно-тканной оболочки)
саркоплазматический или эндоплазматический
ретикулум (депо Са2+, необходимого для
возбуждения миофибриллы)
капилляры (поставка питательных веществ и
кислорода)

6.

Строение мышц
Скелетная мышца состоит из пучков
параллельно упакованных мышечных
клеток, или волокон (диаметр 50-100 мкм).
Каждое волокно – это одна многоядерная
клетка, у которой ядра располагаются
снаружи, а все тело заполнено
миофибриллами (диаметр 1 мкм).
Миофибриллы – органеллы клеток
поперечнополосатых мышц,
обеспечивающие их сокращение.

7.

Миофибриллы состоят состоят из толстых
и тонких микрофиламентов (нитей).
Основным белком толстых нитей является
миозин, тонкие нити содержат белки трех
типов: актин, тропомиозин и тропониновый
комплекс.
При исследовании мышечных волокон и
миофибрилл под световым микроскопом,
отмечается чередование в них темных и
светлых участков – дисков.

8.

9.

10.

Темные диски отличаются двойным
лучепреломлением и называются
анизотропными дисками, или А-дисками.
Светлые диски не обладают двойным
лучепреломлением и называются изотропными,
или I-дисками.
В середине диска А имеется более светлый
участок – Н-зона, где содержатся только
толстые нити белка миозина.
В середине Н-зоны (значит и А-диска)
выделяется более темная М-линия, состоящая
из миомезина (необходим для сборки толстых
нитей и их фиксации при сокращении).

11.

В середине диска I расположена плотная
линия Z, которая построена из белковых
фибриллярных молекул.
Z-линия соединена с соседними
миофибриллами с помощью белка десмина, и
поэтому все названные линии и диски
соседних миофибрилл совпадают и создается
картина поперечнополосатой исчерченности
мышечного волокна.
Структурной единицей миофибриллы является
саркомер (S) — это пучок миофиламентов,
заключенный между двумя Z-линиями.
Миофибрилла состоит из множества
саркомеров

12.

13.

14.

Строение миофибриллы

15.

Строение саркомера

16.

17.

18.

19.

Миозин
Миозин составляет 55% от общего количества
мышечных белков, образует толстые нити
(филаменты) миофибрилл. Это
асимметричный гексамер.
В молекуле миозина различают длинную
фибриллярную часть, состоящую из двух
переплетенных спиралей, каждая из которых
имеет на одном конце глобулярную
«головку».
Гексамер включает одну пару тяжелых цепей
(G) цепей и две пары легких (L) цепей,
связанных с глобулярными головками.

20.

В физиологических условиях (оптимальные
pH, температура, концентрация солей)
молекулы миозина спонтанно
взаимодействуют между собой своими
стержневыми участками ("конец в конец", "бок
в бок") с помощью слабых типов связей.
Взаимодействуют только стержни, головки
остаются свободными.
Основной функцией фибриллярной части
молекулы миозина является способность
образовывать хорошо упорядоченные пучки
миозиновых филаментов или толстые
протофибриллы с выступающими в разные
стороны головками.

21.

Головка молекулы миозина обладает Са2+зависимой АТФ-азной активностью и имеет
актинсвязывающий центр, поэтому они
обеспечивают гидролиз АТФ и
взаимодействие с актиновыми филаментами.
Легкие цепи регулируют активность.
Приблизительно 400 молекул миозина
объединяются в толстый филамент.
Половина молекул перевернута головками к
одному концу филамента, а вторая половина
– к другому.

22.

23.

Тонкие филаменты (нити)
К белкам тонких нитей относятся: актин,
тропомиозин, тропонин
Основным белком тонких нитей является актин.
Актин имеет центры связывания с миозином.
Актин бывает в двух формах: мономерный
глобулярный G-актин и фибриллярный – Fактин.
F-актин образуется при полимеризации Gактина; это двухцепочечная спираль из
мономеров G-актина.
G и F актины не обладают каталитической
активностью.

24.

25.

Тропомиозин – двухцепочечная
палочковидная молекула (м.м. 70 кДа).
Располагается в желобке между цепями Fактина и в покое закрывает места связывания
с головками миозина.
Тропонин (м.м. 76 кДа) состоит из трех
субъединиц, взаимодействие Ca2+ с которыми
открывает места связывания головок
миозина с мономерами F-актина.

26.

Тропонин
Тропонин Т (ТnТ) связывается с тропомиозином.
Тропонин I (Тnl) ингибирует взаимодействие
между F-актином с миозином и связывается с
другими компонентами тропонина.
Тропонин С (ТnС) – это кальций-связывающий
белок, структура и функции которого подобны
широко распространенному в природе белку
кальмодулину.

27.

Тропонин С, как и кальмодулин, связывает
четыре иона Са++ на молекулу белка.
Тонкий филамент поперечнополосатой мышцы
состоит из F-актина, тропомиозина и трех
тропониновых компонентов ТnТ, Тnl и ТnС

28.

29.

30.

Титин
Титин (коннектин) - самый большой из
известных белков.
Период полураспада (время, требующееся для
исчезновения половины содержащегося белка в
клетке после его синтеза) равен примерно 30
часам.
Титин — это большой белок поперечнополосатых мышц, который связывает Z-диск и
М-линию саркомера, одиночная молекула
титина тянется вдоль половины его длины
саркомера.
Титин служит матрицей для правильной сборки
белков, входящих в состав саркомера.

31.

32.

Небулин
Небулин – гигантский белок с м.м. 600-900
кДа.
Ассоциирован с тонкими актиновыми
филаментами (связывает примерно 200
мономеров F-актина).
Действует как «линейка» тонкой нити и
регулирует длину актиновых нитей, а,
следовательно, и размер саркомеров.
Регулирует актин-миозиновое взаимодействие
путем ингибирования АТФ-азной активности.

33.

34.

35.

Мышечное сокращение
Гипотеза скользящих нитей подразумевает, что
сокращение и расслабление мышц происходит за счет
укорочения или удлинение саркомеров миофибрилл: т.е.
скольжения тонких нитей относительно толстых
филаментов

36.

Механизм мышечного сокращения
Сокращением мышечного волокна управляют
двигательные нейроны (мотонейроны).
Аксоны мотонейронов подведены к мышце
Мотонейроны выделяют в нервно-мышечные
синапсы нейромедиатор ацетилхолин.
Ацетилхолин диффундирует через
синаптическую щель и взаимодействует с
холинэргическими рецепторами
плазматической мембраны мышечных клеток.

37.

Открываются трансмембранные ионные
каналы, происходит деполяризация клеточной
мембраны.
Потенциал действия быстро распространяется
по всем направлениям, возбуждая все
мышечные клетки.
Цикл сокращения мышечного волокна
реализуется в течение нескольких
миллисекунд.

38.

39.

Двигательная единица. На микрофотографии
виден двигательный аксон, подсоединяющийся
к мышцам

40.

Механизм мышечного сокращения
включает следующие этапы:
А. Электрохимическое преобразование:
1. Генерация ПД (потенциала действия).
2. Распространение ПД по Т-системе.
3. Электрическая стимуляция зоны контакта Тсистемы и саркоплазматического ретикулума,
активация ферментов, образование
инозитолтрифосфата, повышение
внутриклеточной концентрации ионов Са2+.

41.

Б. Хемомеханическое преобразование:
4. Взаимодействие ионов Са2+ с тропонином,
освобождение активных центров на
актиновых филаментах.
5. Взаимодействие миозиновой головки с
актином, вращение головки и развитие
эластической тяги.
6. Скольжение нитей актина и миозина
относительно друг друга, уменьшение
размера саркомера, развитие напряжения
или укорочение мышечного волокна.

42.

В цитозоле покоящихся клеток концентрация
Са2+ очень низка (менее 10-5 моль).
В саркоплазматическом ретикулуме (СПР) –
существенно выше (около 10~-3 моль).
Высокая концентрация Са2+ в CПP
поддерживается Са2+-АТФ-азами и
специальным белком кальсеквестрином,
который содержит много кислых аминокислот и
прочно связывает ионы Са2+.
Переносу потенциала действия на CПP
индивидуальной миофибриллы способствуют
поперечные трубочки Т-системы.

43.

Деполяризация плазматической мембраны
передается через Т-трубочки на потенциалуправляемый мембранный белок "SR-foot"
прилегающей мембраны CПP.
SR-foot открывает Са2+-каналы.
Ионы Са2+ выбрасываются из CПP в
пространство между филаментами актина и
миозина до уровня >10-5 моль.
Выброс Са2+ запускает механизм процесса
сокращения миофибрилл.

44.

45.

46.

В расслабленной скелетной мышце комплекс
тропонина (субъединицы = Т, С, I) с
тропомиозином препятствует
взаимодействию миозиновых головок с
актином.
!Быстро поступивший в цитоплазму Са2+
связывается с С-субъединицей тропонина.
Это приводит к конформационной
перестройке в тропонине и тропонинтропомиозиновый комплекс разрушается.
На молекуле актина освобождается участок
связывания с миозином. Это инициирует цикл
мышечного сокращения.

47.

Ионы Са2+
присоединяются к
кальцийсвязывающей
субъединице тропонина
тонких филаментов
Изменяется конформация
белка
Молекула тропомиозина
перемещается по желобку
тонкого филамента
На молекулах
глобулярного актина
открываются центры
связывания с головками
миозина

48.

49.

50.

Сокращение мышечных волокон обусловлено
продольным скольжением толстых миозиновых
и тонких актиновых филаментов относительно
друг друга
Осуществляется следующий цикл реакций:
1. Головка
молекулы
миозина
прочно
связывается с открытым участком актиновой
нити,
затем
Са2+
инициирует
взаимодействие головки с АТФ и головка
отделяется от актиновой нити (комплекс
миозин-АТФ обладает низким сродством к
актину

51.

2. Са2+-зависимая АТФ-аза головки миозина
гидролизует АТФ, но оба продукта реакции
(АДФ и Рн) близко друг от друга.
3. Энергия, выделяющаяся при гидролизе
АТФ, вызывает аллостерические изменения
в миозиновой головке и головка образует
новый мостик с соседней молекулой актина.
4. Актин ускоряет выброс продуктов АТФ-азной
реакции из активного центра миозина. Это
приводит к изменению конформации головки
миозина, которая действует подобно «гребку
весла»

52.

5. Во время «гребка» миозиновые головки
отклоняются на определенный угол от оси и
перемещают миозиновый филамент вдоль
актинового филамента по направлению к Zдиску.
6. АДФ и Рн отсоединяются от миозина. Цикл
повторяется до тех пор, пока имеется АТФ.
7. В отсутствии последующего стимулирования
АТФ-зависимые кальциевые насосы
мембраны СПР быстро снижают
концентрацию ионов Са2+ до исходного
уровня.

53.

54.

Сокращение мышечных волокон обеспечивается за счет кооперативной
работы большого количества молекул миозина, собранных в толстые нити.
Движение пучка молекул миозина вдоль нити актина можно сравнить с
перетаскиванием бревна работниками, из которых лишь небольшая часть
тружеников (10–15%) опирается ногами на землю. Подобно головкам
миозина, работники периодически меняются ролями, однако в каждый
момент времени активно работает лишь небольшая часть тружеников. Это
биохимический механизм тренировочного процесса.

55.

Модель акто-миозинового комплекса:
весла как головки миозина обеспечивают перемещение
лодки