Біохімія м’язової тканини
Біохімія м'язової тканини В. 250599
БІОХІМІЯ М'язової тканини
М'язова тканина складає 40% ваги тіла людини. Біохімічні процеси, що протікають у м'язах, дуже впливають на весь організм людини.
ФУНКЦІЯ М'ЯЗІВ - МЕХАНІЧНИЙ РУХ, в якому хімічна енергія перетворюється на механічну при постійному тиску та постійній температурі. Жоден штучний механізм до цього не здатний.
Функціональна одиниця – САРКОМІР.
Складається із молекул білка міозину. МІОЗИН – великий олігомерний білок, молекулярна маса 500 кДа, складається з 6 субодиниць, попарно однакових.
Тяжкий ланцюг: на С-кінці - альфа-спіраль, на N-кінці - глобула. При з'єднанні двох важких ланцюгів С-кінцевими ділянками утворюється суперспіраль. Два легкі ланцюги входять до складу глобули (головки). Стрижнева ділянка суперспіралі має 2 відділи, де спіралі оголені - ці місця відкриті для дії протеолітичних ферментів та мають підвищену рухливість.
1. У фізіологічних умовах (оптимальні pH, температура, концентрації солей) молекули міозину спонтанно взаємодіють між собою своїми стрижневими ділянками ("кінець у кінець", "бік у бік") за допомогою слабких типів зв'язків. Взаємодіють лише стрижні, головки залишаються вільними.
2. Молекула міозину має ферментативну активність (АТФ-азна активність: АТФ+Н2О----->АДФ+Ф). Активні центри розташовані на головках міозину.
1-ша стадія. Сорбція субстрату. У ході цієї стадії АТФ фіксується на ділянці адсорбційного активного центру головки міозину.
2-я стадія. Гідроліз АТФ. Відбувається на каталітичній ділянці активного центру голівки. Продукти гідролізу (АДФ і Ф) залишаються фіксованими, а енергія, що виділилася, акумулюєтьсяу голівці.
Примітка: чистий міозин in vitro має АТФ-азну активність, але вона дуже низька.
3-тя стадія. Міозин здатний взаємодіяти з актином тонких ниток. Приєднання актину до міозину збільшує АТФазну активність міозину, в результаті швидкість гідролізу АТФ зростає у 200 разів. Прискорюється саме 3-я стадія каталізу. Звільнення продуктів реакції (АДФ та Ф) з активного центру головки міозину.
Примітка: чистий міозин має ферментативну активність, але вона дуже низька.
3. Міозин своїми головками здатний взаємодіяти з актином (актин- скорочувальний білок), що входить до складу тонких ниток.
Приєднання актину до міозину миттєво збільшує АТФ-азну активність міозину (більше, ніж у 200 разів). Актин є алостеричним активатором міозину.
До складу тонких ниток входять три білки:
- скорочувальний білокактин
- регуляторний білоктропоміозин
- регуляторний білоктропонін
Актин – невеликий глобулярний білок, його молекулярна маса – 42 кDа. G-актин є глобулом. У фізіологічних умовах його молекули здатні до спонтанної агрегації, утворюючи F-актин.
До складу тонкої нитки входять дві F-актинові нитки, утворюється суперспіраль (2 перекручені нитки). В області Z-ліній актин прикріплюється до a-актиніна.
МЕХАНІЗМ М'язового скорочення.
1. Спорідненість комплексу "міозин-АТФ" до актину дуже низька.
2. Спорідненість комплексу "міозин-АДФ" до актину дуже висока.
3. Актин прискорює відщеплення АДФ та Ф від міозину і при цьому відбувається конформаційна перебудова – поворот головки міозину.
1-я стадія 2-я стадія 3-я стадія 4-я стадія
1-ша стадія. Фіксація АТФ на головці міозину.
2-я стадія.Гідроліз АТФ. Продукти гідролізу (АДФ і Ф) залишаються фіксованими, а енергія, що виділилася, акумулюється в голівці. М'яз готовий до скорочення.
3-тя стадія. Освіта комплексу "актин-міозин". Він дуже міцний. Може бути зруйнований лише за сорбції нової молекули АТФ.
4-я стадія Конформаційні зміни молекули міозину, в результаті яких відбувається поворот голівки міозину. Звільнення продуктів реакції (АДФ та Ф) з активного центру головки міозину.
Головки міозину ”працюють” циклічно, як плавці у риби чи як весла у човна, тому цей процес називається “весельний механізм” м'язового скорочення.
Дослідник Дьєрді вперше виділив чисті актин та міозин. In vitro були створені необхідні фізіологічні умови, за яких спостерігалося спонтанне утворення товстих і тонких ниток, потім було додано АТФ – у пробірці відбувалося м'язове скорочення.
РЕГУЛЯЦІЯ М'язового скорочення
Фібрилярний білок, молекулярна маса – 70 кДа. Має вигляд a-спіралі. У тонкій нитці на 1 молекулу тропоміозину припадає 7 молекул G-актину. Розташовується тропоміозин у жолобку між двома спіралями G-актину. Сполучається тропоміозин "кінець у кінець", ланцюжок безперервний. Молекула тропоміозину закриває активні центри зв'язування актину на поверхні глобул актину.
Глобулярний білок, молекулярна маса 80 кДа, має 3 субодиниці: тропонін "Т", тропонін "С" та тропонін "I". Розташовується на тропоміозині з рівними проміжками, довжина яких дорівнює довжині молекули тропоміозину.
Тропонін Т (ТнТ) - відповідає за зв'язування тропоніну з тропоміозином, через тропонін "Т" конформаційні зміни тропоніну передаються на тропоміозин.
Тропонін С (ТнС) - Ca 2+ -зв'язуюча субодиниця, містить 4 ділянки длязв'язування кальцію, за будовою схоже на білок кальмодулін.
Тропонін I (ТнI) - інгібіторна субодиниця - це несправжній інгібітор - він тільки створює просторову перешкоду, що заважає взаємодії актину і міозину в момент, коли тропонін "С" не пов'язаний із Са 2+ .
РЕГУЛЯЦІЯ СКОРОЧЕННЯ І РОЗПОЛАШЕННЯ М'ЯЗІВ У ЖИВІЙ КЛІТЦІ
1. М'язове скорочення починається з нервового імпульсу. Під впливом ацетилхоліну розвивається збудження клітинної мембрани і різко підвищується її проникність Са 2+ .
2. Са 2+ надходить у цитоплазму м'язової клітини (саркоплазма) з депо-цистерн цитоплазматичного ретикулуму. Концентрація Са 2+ у саркоплазмі миттєво збільшується у 100 разів (з 10 -7 М до 10 -5 М).
3. Кальцій зв'язується з тропоніном "С". Це призводить до конформаційних змін молекули тропоніну, в результаті усувається просторова перешкода у вигляді тропоніну "I", в результаті конформаційних змін тропоніну "Т" молекула тропоміозину відтягується убік і відкриває на поверхні актину міозин-зв'язувальні центри. Далі м'язове скорочення йде за схемою (дивіться попередній рисунок на сторінці 3).
Щоб відбулося розслаблення м'яза, необхідні такі умови:
1. Визволення тропоніну "С" від Са 2+ - для цього працює мембрано-пов'язаний фермент Са 2+ -залежна АТФаза. Цей фермент використовує енергію гідролізу АТФ для перенесення Са 2+ назад до цистерн проти градієнта їх концентрацій. Нагромадженню іонів кальцію в цистернах допомагає білок КАЛЬСЕКВЕСТРІН. Кальсеквестрин – пов'язує Са 2+ у цистернах. Коли м'яз готовий до скорочення, концентрація Са 2+ у цистернах велика.
Не тільки процес скорочення, а й процес розслаблення потребує АТФ, тому що якщо немає АТФ, то не працює Са2+-залежна АТФаза. У цих умовах кальцій пов'язаний з тропоніном "С" - вся система знаходиться в активному стані, немає розпаду актоміозинового комплексу - м'яз постійно перебуває у стані скорочення. Така ситуація спостерігається після смерті людини у стані "трупного задухи".
Запаси АТФ у клітині значні, але їх вистачає забезпечення м'язової роботи лише протягом 0.1 секунди. Але у м'язовій клітині йде дуже швидкий ресинтез АТФ.
Особливість м'язової тканини - дуже швидкі зміни концентрації АТФ (100 і більше разів).
МЕХАНІЗМИ ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ М'язової роботи
1. Спеціальні реакції субстратного фосфорилювання.
2. Гліколіз, глікогеноліз.
3. Окисне фосфорилювання.
1. Спеціальні реакції субстратного фосфорилювання
Участь спеціальних реакцій субстратного фосфорилювання у забезпеченні енергією м'язової клітини різна - це залежить від інтенсивності, тривалості, потужності та тривалості м'язової роботи.
1)Креатинфосфокіназна реакція.
Це найшвидший спосіб ресинтезу АТФ. Запасів креатинфосфату достатньо для забезпечення м'язової роботи протягом 20 секунд.
Найбільш ефективний. Не вимагає присутності кисню, не дає небажаних побічних продуктів, включається миттєво. Його недолік - малий резерв субстрату (вистачає лише на 20 секунд роботи). Зворотна реакція може протікати у мітохондріях з використанням АТФ, що утворилася в процесі окисного фосфорилювання.
Мембрана мітохондрій добре проникна як для креатину, так і для креатинфосфату, а креатинфосфокіназа є і в саркоплазмі, і в міжмембранному просторі мітохондрій.
2)Міокіназна реакція. Протікає тільки вм'язової тканини!
Реакція каталізується міокіназою (аденілаткіназою).
Головне значення цієї реакції полягає в утворенні АМФ – потужного алостеричного активатора ключових ферментів гліколізу, глікогенолізу, ГБФ-шляху.
2. Гліколіз, глікогеноліз.
Чи не вимагають присутності кисню (анаеробні процеси). Мають великий резерв субстратів. Використовується глікоген м'язів (2% від ваги м'язу) та глюкоза крові, отримана з глікогену печінки.
1) Невелика ефективність: 3 АТФ однією глюкозний залишок глікогену.
2) Накопичення недоокислених продуктів (лактат).
3) Гліколіз починається не відразу – лише через 10-15 секунд після початку м'язової роботи.
3. Окисне фосфорилювання.
1. Це найбільш енергетично вигідний процес – синтезується 38 молекул АТФ при окисленні однієї молекули глюкози.
2. Має найбільший резерв субстратів: можна використовувати глюкоза, глікоген, гліцерин, кетонові тіла.
3. Продукти розпаду (CO2 та H2O) практично нешкідливі.
Недолік: потребує підвищених кількостей кисню.
Важливу роль у забезпеченні м'язової клітини киснем грає міоглобін, у якого спорідненість до кисню більша, ніж у гемоглобіну: при парціальному тиску кисню, що дорівнює 30 мм.рт.ст., міоглобін насичується киснем на 100%, а гемоглобін - всього на 30%. Тому міоглобін ефективно забирає у гемоглобін кисень, що доставляється їм.
ЗМІНИ МЕТАБОЛІЗМУ ПРИ М'язовій роботі.
1. Зменшення концентрації АТФ зміщує рівновагу креатинфосфокіназної реакції праворуч: використовується креатинфосфат. Далі включається гліколіз, тому системі окисного фосфорилювання необхідна 1 хвилина для запуску. Це пускова фаза м'язової роботи.
2. Далізміни метаболізму залежать від інтенсивності м'язової роботи:
а) якщо м'язова робота тривала і невелика інтенсивність, то надалі клітина отримує енергію шляхом окисного фосфорилювання - це робота в "аеробній зоні";
б) якщо м'язова робота субмаксимальної інтенсивності, то - додатково до окислювального фосфорилювання включається гліколіз - це найбільш важка м'язова робота - виникає "киснева заборгованість", це -робота "в змішаній зоні";
в) якщо м'язова робота максимальної інтенсивності, але нетривала, то механізм окисного фосфорилювання не встигає вмикатися. Робота відбувається виключно за рахунок гліколізу. Після закінчення максимального навантаження лактат надходить із крові в печінку, де йдуть реакції глюконеогенезу, або лактат перетворюється на піруват, який далі окислюється в мітохондріях (ГДФ-шлях). Для окислення пірувату потрібен кисень, тому після м'язової роботи максимальної та субмаксимальної інтенсивності споживання кисню м'язовими клітинами підвищено - повертається киснева заборгованість (борг).
Таким чином, енергетичне забезпечення різних видів м'язової роботи по-різному. Тому існує спеціалізація м'язів, причому забезпечення енергією в різних м'язових клітин принципово відрізняється: є "червоні" і "білі" м'язи.
Червоні м'язи- "повільні" оксидативні м'язи. Вони мають хороше кровопостачання, багато мітохондрій, високу активність ферментів окисного фосфорилювання. Призначені для роботи у аеробному режимі. Наприклад, такі м'язи служать підтримки тіла у певному становищі (пози, постава).
Білі м'язи- "швидкі", гліколітичні. У них багато глікогену, у них слабке кровопостачання, високаактивність ферментів гліколізу, креатинфосфокінази, міокінази. Вони забезпечують роботу максимальної потужності, але короткочасну.
У людини немає спеціалізованих м'язів, але є спеціалізовані волокна: у м'язах-розгиначах більше "білих" волокон, у м'язах спини більше "червоних" волокон.
Існує спадкова схильність до м'язової роботи - в одних людей більше "швидких" м'язових волокон - їм рекомендується займатися тими видами спорту, де м'язова робота максимальної інтенсивності, але короткочасна (важка атлетика, біг на короткі дистанції тощо). Люди, у м'язах яких більше "червоних" ("повільних") м'язових волокон, найбільших успіхів досягають у тих видах спорту, де потрібна тривала м'язова робота середньої інтенсивності, наприклад, марафонський біг (дистанція 40км). Для визначення придатності людини до певного типу м'язових навантажень використовується біопсія пункції м'язів.
В результаті швидкісних тренувань (bodybuilding) потовщуються міофібрили, кровопостачання зростає, але непропорційно до збільшення маси м'язових волокон, кількість актину та міозину зростає, збільшується активність ферментів гліколізу та креатинфосфокінази.
Більш корисні для організму тренування "на витривалість". При цьому м'язова маса не збільшується, але збільшується кількість міоглобіну, мітохондрій та активність ферментів ГБФ-шляху.