ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

МЫШЦМЫШЦКафедра биохимии БГУ, доцент Орѐл Н.М.

Биохимические функции мышц осуществление мышечного сокращения и расслабления,

регуляция этих процессов;

энергетическое обеспечение мышечной деятельности;

метаболизм, обеспечивающий осуществление

биохимических функций мышц.

Мыщцы составляют

40-45 % массы тела

- единственная

система, которая

превращает

химическую энергию

в механическую. А-поперечно-полосатая,

Б-сердечная, В-гладкая.

1- ядра, 2-поперечная

исчерченность

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ И

РАССЛАБЛЕНИЯ, РЕГУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССОВ

Белки миофибрилл

Сократительные элементы (саркомеры) состоят из двух типов параллельных нитей, тонких филаментов F-актина и толстых филаментов миозина.

АКТИН

Мономерный актин (G-актин) — это глобулярный белок с мол. массой 43 кДа, составляет 25 % общей массы мышечного белка.

При физиологической величине ионной силы и в присутствии магния G-актины объединяются (подвергаются нековалентной полимеризации), образуется нерастворимый двойной спиральный филамент – F-актин.

Волокно F-актина имеет толщину 6-7 нм, через 35,5 нм структурные элементы повторяются.

G- и F-актины не обладают каталитической активностью.

Две формы актина: глобулярный G - актин, фибриллярный F – актин.

Молекулы глобулярного актина нековалентно объединяются, образуя

F- актин. Две цепи F- актина связаны в спираль

Вместе с актином в мышцах присутствует тропомиозин –вытянутая в виде тяжа молекула, состоящая из α и β цепей и примыкающая к F-актину в щели между двумя полимерами.

Тропомиозин встречается во всех мышцах и подобных им структурах.

В поперечнополосатых мышцах имеется тропониноваясистема, включающая еще три белка: Тропонин Т (ТпТ) связывается с тропомиозином;

Тропонин I (Tnl) ингибирует взаимодействие между F-актином и миозином и связывается с другими компонентами тропонина.

Тропонин С (ТпС) – кальций-связывающий белок –первичная, вторичная структура и функция аналогичны этим же характеристикам распространенного в природе белка —кальмодулина. Способен связываться с другими компонентами тропонина.

Молекула тропонина С (и кальмодулина) связывает четыре иона кальция, имеет м.м. 17кДа.

Тонкий филамент поперечнополосатой мышцы состоит из F-актина, тропомиозина и трех тропониновых компонентов: ТпС, Tnl и ТпТ.

Тропомиозин и тропониновая система чередуются через каждые 38,5 нм.

Схематическое изображение тонкого филаментаПоказана пространственная конфигурация трех главных белковых компонентов: актина, тропомиозина и тропонина

Строение тонкого филамента

Миозин – составляет 55 % мышечного белка, образует толстые филаменты (нити). Это асимметричный гексамер с М. м. 460 кДа.

В миозине различают фибриллярную часть, состоящую из двух переплетенных спиралей, каждая из которых имеет на одном конце глобулярную «головку».

Гексамер включает одну пару тяжелых (G) цепей(М.м.2 х 223 кДа ) и две пары легких (L) цепей (М.м. 15–27 кДа), связанных с глобулярными головками.

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 толькостержни, головки остаются свободными.

Головка миозина обладает Са⁺⁺-зависимой АТР-азнойактивностью и связывается с F-актином. Легкие цепи регулируют активность.

Приблизительно 400 молекул миозина обьединяются в

толстый филамент

Половина молекул повѐрнута головками к одному концу

филамента, а вторая половина к другому

Большая часть сведений о миозине получена при изучении продуктов его частичного гидролиза. Обработка миозина трипсином приводит к образованию двух фрагментов –меромиозинов.

Легкий меромиозин (ЛММ) состоит из агрегированных нерастворимых α-спиральных фибрилл. Он не обладает АТРазной активностью и не связывается с F-актином.

Тяжелый меромиозин (ТММ) представляет собой растворимый белок с м.м. 340 кДа, содержащий и фибриллярный, и глобулярный фрагменты. Он обладает АТРазной активностью и связывается с F-актином.

При гидролизе ТММ папаином образуются два субфрагмента – S-1 и S-2. S-2 имеет фибриллярную структуру, не проявляет АТР-азной активности и не связывает F-актин.

Ферментативное расщепление миозина ТММ — тяжелый меромиозин; ЛММ—легкий меромиозин;

S-1—фрагмент 1; S-2—фрагмент 2.

S-1 характеризуется м.м. 115кДа, проявляет АТРазнуюактивность, в отсутствие АТР связывает актин.

Активность S-1 и ТММ при добавлении F-актина возрастает в 100 – 200 раз. F-актин резко ускоряет освобождение продуктов действия миозиновой АТРазы – AДP и неорганического фосфата.

Хотя F-актин сам по себе не влияет на гидролиз АТР, его способность стимулировать освобождение продуктов АТРазной реакции обеспечивает значительное увеличение общей скорости катализа.

Другие белки (присутствуют в меньших количествах) α-Актинин – это обнаруживаемая в зоне Z-линии белковая

молекула, к которой присоединяются концы F-актиновыхмолекул тонких филаментов.

(β-Актинин, десмин, коннектин, виментин).

Расположение филаментов в поперечно-полосатой

мышце А – расслабленная мышца, Б - сокращенная мышце

Миофибриллы содержат приблизительно

2500 филаментов.

На одну толстую миозиновую нитку

припадает 6 тонких

Механизм сокращения мышечных волокон

Сокращением мышечного волокна управляют двигательные нейроны, которые выделяют нейромедиатор ацетилхолин в нервно-мышечные синапсы.

Ацетилхолин диффундирует через синаптическую щель и взаимодействуют с холинэргическими рецепторами плазматической мембраны мышечных клеток. 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.

В цитозоле покоящихся клеток концентрация Са2+ очень низка (менее 10-5 моль).

В саркоплазматическом ретикулуме (СР) – существенно выше (около 10~-3 моль). Высокая концентрация Са2+ в CP поддерживается Са2+-АТФ-азами и специальным белком кальсеквестрином (55 кДа), который содержит много кислых аминокислот и прочно связывает ионы Са2+.

Переносу потенциала действия на CP индивидуальной миофибриллы способствуют поперечные трубочки Т-системы (трубчатые впячиванияклеточной мембраны), находящиеся в тесном контакте с индивидуальными миофибриллами.

Деполяризация плазматической мембраны передается через Т-трубочки на потенциал-управляемый мембранный белок "SR-foot" прилегающей мембраны CP.

SR-foot открывает Са2+-каналы. Ионы Са2+ выбрасываются из CP в пространство между филаментами актина и миозина до уровня >10-5

моль. Выброс Са2+ запускает механизм процесса сокращения миофибрилл.

В расслабленной скелетной мышце комплекс тропонина (субъединицы = Т, С, I) с тропомиозином препятствует взаимодействию миозиновыхголовок с актином.

! Быстро поступивший в цитоплазму Са2+ связывается с

С-субъединицей тропонина. Это приводит к конформационнойперестройке в тропонине и тропонинтропомиозиновый комплекс разрушается. На молекуле актина освобождается участок связывания с миозином. Это инициирует цикл мышечного сокращения.

o Ионы Са

присоединяются к

кальцийсвязывающей

субъединице

тропонина тонких

филаментов

o Изменяется

конформация белка

o Молекула

тропомиозина

перемещается по

желобку тонкого

филамента

o На молекулах

глобулярного актина

открываются центры

связывания с

головками миозина

Сокращение мышечных волокон обусловлено продольным скольжением толстых миозиновых и тонких актиновых филаментовотносительно друг друга (модель весельной лодки).

Осуществляется следующий цикл реакций:

1. Головка молекулы миозина прочно связывается с открытым участком актиновой нити, затем Са⁺⁺ инициирует взаимодействие головки с АТР и головка отделяется от актиновой нити (комплекс миозин-АТРобладает низким сродством к актину).

2. Са⁺⁺-зависимая АТР-аза головоки миозина гидролизует АТР, но удерживает оба продукта реакции (АДР и Рн) близко друг от друга. Процесс носит скорее стехиометрический, а не каталитический характер.

3. Энергия, выделяющаяся при гидролизе АТР, вызывает аллостерическиеизменения в миозиновой головке и головка образует новый мостик с соседней молекулой актина.

4. Актин ускоряет выброс продуктов АТР-азной реакции из активного центра миозина. Это приводит к преобразованию аллостерическогонапряжения и изменению конформации головки миозина, которое действует подобно «гребку весла». Во время «гребка» миозиновыеголовки отклоняются на определенный угол от оси и перемещают миозиновый филамент вдоль актинового филамента по направлению к Z-диску.

4. АДР и Рн отсоединяются от миозина. Цикл повторяется до тех пор, пока имеется АТР.

500 миозиновых головок толстого филамента в результате каждого «гребка» вызывают смещение на 10 нм. Во время сильных сокращений частота «гребков» ≈ 5 раз в секунду.

При каждом цикле гидролиза АТР головки миозина взаимодействуют со следующими молекулами актина, за счет чего и происходит взаимное скольжение миозиновых и актиновых филаментов, т. е. сокращение мышечного волокна.

В отсутствие последующего стимулирования АТР-зависимыекальциевые насосы мембраны CP быстро снижают концентрацию ионов Са2+ до исходного уровня. Как следствие, комплекс Са2+ с тропонином С диссоциирует, тропонин восстанавливает исходную конформацию, место связывания миозина на актине блокируется и мышца расслабляется.

КПД сокращения – 50 %.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЫШЕЧНОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Процесс сокращения и расслабления связан с потреблением АТРмиозин-АТР-азой. Запас АТФ, имеющийся в мышцах, расходуется менее чем за 1 с после стимуляции.

Потребности работающей мышцы в АТР1) Резерв в виде креатинфосфата (КФ)

Быстрая регенерация АТР достигается за счет переноса креатинкиназой фосфатной группы с КФ на АДP . Энергетический резерв креатинфосфата также расходуется за несколько секунд.

Креатин синтезируется в почках, поджелудочной железе, печени и накапливается в мышцах.

В спокойном состоянии КФ вновь синтезируется из креатина. Фосфатная группа присоединяется по гуанидиновой группе креатина. В мозговой ткани креатинфосфат поддерживает жизгеспособностьклеток при кратковременном отсутствии кислорода.

В мышцах КФ медленно неферментативно циклизуется с образованием креатинина, который поступает в почки и удаляется из организма.

2) Анаэробный гликолизВ мышечной ткани относительно долгосрочным энергетическим

резервом является гликоген. В покоящейся ткани содержание гликогена составляет до 2 % от мышечной массы.

Гликоген под действием фосфорилазы расщепляется с образованием глюкозо-6-фосфата, который путем гликолиза превращается в пируват. Образуется 2 моль АТФ.

При недостатке кислорода пируват восстанавливается в лактат, который диффундирует в кровь (цикл Кори).

3) Окислительное фосфорилирование.В аэробных условиях пируват поступает в митохондрии , окисляется в

цикле Кребса и дыхательной цепи. Окислительное фосфорилирование –постоянно действующий путь синтеза АТР. Это самый эффективный путь синтеза АТР, но он реализуется при условии хорошего снабжения мышц кислородом.

Для синтеза АТР используются «энергоносители» крови: глюкоза, жирные кислоты и кетоновые тела.

4) Образование инозинмонофосфата (ИМФ)Другим источником быстрого восстановления уровня АТФ является

конверсия АДР в АТР и АМР (2АДР → АТР + АМР ), катализируемая миокиназой (аденилаткиназой ). Образовавшийся АМФ за счет дезаминирования частично превращается в ИМФ, что сдвигает реакцию в сторону образования АТР.

Источники АТР в мышце

В «медленных» (красных) скелетных мышцах источником энергии для синтеза АТР служит окислительное фосфорилирование. В обеспечении этих мышц кислородом принимает участие миоглобин.Они имеют хорошее кровоснабжение, много митохондрий, высокую активность ферментов окислительного фосфорилирования. Предназначены для работы в аэробном режиме. Например, такие мышцы служат для поддержания тела в определенном положении (поза, осанка).

В «быстрых» скелетных мышцах, лишенных миоглобина (белых), главным источником образования АТР является анаэробный гликолиз. В них много гликогена, у них слабое кровоснабжение, высока активность ферментов гликолиза. Такие мышцы обеспечивают работу максимальной мощности, но кратковременную (низкий выход АТР ). Мышцы истощаются в результате изменения рН за счет повышения концентрации лактата .

Промежуточные мышцы – сохраняют свойства и красных, и белых, потому получили дополнительное название "быстрые красные".

У человека нет специализированных мышц, но есть специализированные волокна всех видов: в мышцах-разгибателях больше "белых" волокон, в мышцах спины больше "красных" волокон.

Процентное содержание тех или иных волокон предопределяет специализацию атлета. Как правило, обладатели преимущественно красной мускулатуры достигают лучших результатов в видах на выносливость (плавание, велосипедный спорт, бег на средние и длинные дистанции и т. д.).

Те, у кого больше белых мышечных волокон, имеют склонность к силовым упражнениям. Это объясняется и тем, что белые волокна легче гипертрофируются, т. е. увеличиваются в объеме, и тренируются "на силу".

Не все генетически предопределено. Работают и тренировочные факторы. Некоторые специалисты даже отдают предпочтение последним в формировании структуры мышц.

Характеристика быстрых и медленных скелетных мышц

Миоглобин содержится в красных мышцах и участвует в

запасании кислорода. Транспорт кислорода миоглобин не осуществляет.

В условиях кислородного голодания (например, при сильной физической нагрузке) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии мышечных клеток, где осуществляется синтез АТР (окислительное фосфорилирование).

Миоглобин, как и гемоглобин содержит в качестве простетическойгруппы гем—циклический тетрапиррол, который обуславливает красный цвет и способность связывать кислород. Окисление Fe2⁺ в геме приводит к потере биологической активности.

Глобин состоит из единичной полипептидной цепи из 153 аминокислотных остатков, М.м. 17 кДа. На поверхности молекулы находятся полярные остатки, внутри — неполярные (свойство глобулярных белков), кроме ориентации двух остатков гистидина, принимающих участие в связывании кислорода.

Вторичная и третичная структура миоглобина Это компактная, примерно сферическая молекула 4,5 х 3,5 х 2,5 нм. Примерно 75 % остатков образуют восемь правых α-спиралей, содержащих от 7 до 20 остатков. Спирали обозначаются с N-конца.

Модели молекулы миоглобина

Влияние гема на конформацию миоглобинаПри понижении рН до 3,5 образуется апомиоглобин (отсоединяется

гем, резко уменьшается содержание α-спиралей).

Нормализация рН и добавление гема полностью восстанавливает число α -спиралей, а добавление Fe2+ восстанавливает кислородсвязывающую активность.

Таким образом, информация, содержащаяся в первичной структуре апомиоглобина, в присутствии гема обуславливает свертывание молекулы белка с образованием биологически активной конформации. Первичная структура миоглобина определяет его вторичную и третичную структуру.

Гем в молекуле миоглобина расположен в щели между спиралями Е и F; его полярные пропионатные группы ориентированы к поверхности глобулы, а остальная часть находится внутри структуры и окружена, в основном, неполярными остатками.

Кинетика оксигенирования миоглобинаМиоглобин эффективно запасает кислород. Количество кислорода,

связывающегося с миоглобином («процент насыщения»), зависит от концентрации кислорода в среде (PQ₂—парциальное давление кислорода), непосредственно окружающей молекулу белка.

График зависимости между количеством связанного кислорода и PQ₂

(кривая диссоциации или изотерма адсорбции кислорода) миоглобина имеет форму гиперболы.

PQ₂ в ткани, окружающей легочные капилляры, составляет 100 мм рт. ст., поэтому миоглобин в легких мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом. В венозной крови PQ₂ равно 40 мм рт. ст., а в активно работающей мышце—около 20 мм рт. ст. Но даже при парциальном давлении 20 мм рт. ст. степень насыщения миоглобина кислородом будет весьма значительной, и поэтому миоглобин не может служить средством его доставки от легких к периферическим тканям.

Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжелая физическая работа, PQ₂ в мышечной ткани может понизиться и до 5 мм рт. ст.; при таком давлении миоглобин легко отдает связанный кислород, обеспечивая окислительный синтез АТР в митохондриях мышечных клеток.

РОЛЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И МЕТАБОЛИЗМА В

ОСУЩЕСТВЛЕНИИ БИОХИМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ МЫШЦ

Химический состав поперечно-полосатых мышц

млекопитающих (средние значения):

В функционировании мышц большое значение имеют особенности состава и функционирования белков, аминокислот, углеводов, липидов и др. веществ.

Белки саркоплазмы включают протеины преимущественно

растворимые в солевых средах с низкой ионной силой.В состав белков входят ферменты гликолиза, окислительного

фосфорилирования, обеспечивающие важнейшие стороны азотистого и липидного обмена, альбумины, способные связывать ионы кальция, дыхательный пигмент миоглобин.

Группа миофибриллярных белков – обеспечивающая сократительную функцию мышц.

Небелковые азотистые экстрактивные вещества В скелетных мышцах содержится: адениновые и другие нуклеотиды,

креатинфосфат, креатин, креатинин, карнозин, анзерин, свободные аминокислоты и др.

Концентрация адениновых нуклеотидов в скелетной мускулатуре кролика (в мкмоль/1 г сырой массы) составляет:

АТР—4,43, АДР — 0,81, АМР—0,93. Количество ГТФ, УТФ, ЦТФ и др. в мышечной ткани по сравнению с

концентрацией адениновых нуклеотидов очень мало. Креатин и креатинфосфат (до 60 % небелкового азота мышц) –

участвуют в химических процессах, связанных с мышечным сокращением.

Карнозин и анзерин (ансерин) – имидазол- или гистидинсодержащиедипептиды. Встречаются в скелетной мускулатуре позвоночных и мозге. Карнозин увеличивает амплитуду сокращения скелетных мышц, сниженную утомлением, но не влияет непосредственно на сократительный аппарат, активирует работу ионных насосов мышечных клеток, стимулирует АТФ-азную активность миозина.

Содержание карнозина и анзерина в гладкой и сердечной мускулатуре во много раз меньше, чем в скелетной.

Эти пептиды создают до 40 % буферной емкости быстрых белых мышц и позволяют накапливать много лактата, обладают антиоксидантной активностью, ингибируют NO-зависимую гуанилатциклазу, замедляют процессы старения человека, влияя на скорость апоптоза.

Свободные аминокислоты наиболее высока концентрация глутаминовой кислоты (до 1,2 г/кг), глутамина (0,8 – 1,0 г/кг).

В состав мембранных образований мышечной ткани входят фосфолипиды: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и др. (участвуют в обменных процессах в качестве субстратов тканевого дыхания).

Мочевина, мочевая кислота, аденин, гуанин, ксантин и гипоксантин –присутствуют в небольшом количестве, являются промежуточными или конечными продуктами азотистого обмена.

Безазотистые органические вещества мышечной тканиГликоген – содержание от 0,3 до 2 % и выше. На долю других углеводов – десятые и сотые доли процента. В мышцах следы свободной глюкозы, очень мало гексозофосфатов. В процессе метаболизма глюкозы (и аминокислот) образуются

молочная, пировиноградная и другие карбоновые кислоты. В определенном количестве в мышечной ткани обнаруживаются

ацилглицерины и холестерол.

Состав неорганических солей в мышцах разнообразен.

Больше всего калия и натрия. Значительно меньше магния, кальция и железа. Содержатся микроэлементы: кобальт, алюминий, никель, бор, цинк и др.

Главным источником энергии для мышцы в состоянии покоя служит β-окисление жирных кислот. При интенсивной работе – метаболизм углеводов.

После жира основным резервом запасенной энергии служат белки скелетных мышц. Это объясняет очень большую потерю мышечной массы (особенно у взрослых людей), наблюдающуюся при длительной калорической недостаточности.

Аминокислоты, высвобождающиеся при внутриклеточной деградации белков, могут в значительной степени реутилизироваться для синтеза белка в клетке или переноситься к другим органам для обеспечения анаболических процессов.

Мышцы обладают высокой активностью в отношении деградации одних и синтеза других аминокислот. У млекопитающих они являются главным местом катаболизма аминокислот с разветвленной цепью.

Мышечная ткань окисляет лейцин до СО2 и превращает углеродный скелет аспартата, аспарагина, глутамата, изолейцина и валина в субстраты цикла трикарбоновых кислот. Способность мышц разрушать аминокислоты с разветвленной цепью при голодании или диабете возрастает в 3 – 5 раз.

Мышцы синтезируют и высвобождают большие количества аланина и глутамина, образующихся в ходе реакций переаминирования с участием аминокислот с разветвленной цепью.

Источником почти всего пирувата, идущего на синтез аланина, является гликолиз экзогенной глюкозы. Формируется глюкозо-аланиновый цикл, в котором аланин мышц переносится в печень и используется в процессе печеночного глюконеогенеза и в то же время доставляет в печень аминогруппы, удаляемые в виде мочевины.

Углеродный скелет аминокислот, подвергшихся деградации и включившихся в цикл трикарбоновых кислот в мышечной ткани, превращается главным образом в глутамин и пируват. ПВК далее окисляется в ЦТК или превращается в лактат.

В период после всасывания большая часть образующихся в процессе распада мышечного белка аминокислот покидает мышцы.

Исключением являются изолейцин, валин, глутамат, аспартат и аспарагин. Они участвуют в образовании глутамина, а уже он покидает мышцы и используется другими тканями.

Работающая мышца высвобождает аммиак. Непосредственным источником аммиака в скелетной мышце служит AMP, который дезаминируется в ИMP под действием аденилатдезаминазы.

ИMP может вновь превращаться в AMP в ходе реакций, использующих аспартат и катализируемых аденилсукцинатсинтетазой и аденилсукциназой.

Превращения пирувата и аланина в мышцах и печени выделены в отдельные циклы – Кори и аланина. Они являются «субстратными» циклами – парными комбинациями процессов синтеза и распада метаболитов.

Особенности химического состава сердечной мышцы и гладкой мускулатуры.

Сердечная мышца по содержанию ряда химических соединений занимает промежуточное положение между скелетной мускулатурой и гладкими мышцами.

Общее содержание белков в гладкой мускулатуре (миометрий) ≈ 20,3 мг/г, что меньше, чем в скелетной.

В сердечной и особенно гладкой мышцах значительно меньше миофибриллярных белков (в гладких мышцах желудка ≈ в 2 раза ниже, чем в скелетных).

Концентрация белков стромы в гладких мышцах и миокарде выше, чем в скелетной мускулатуре.

Миозин, тропомиозин и тропонин сердечной мышцы и гладкой мускулатуры отличаются по физико-химическим свойствам от таковых скелетной мускулатуры.

В гладких мышцах нет трех белков тропониновой системы.Саркоплазма гладкой мускулатуры и миокарда в процентном

отношении содержит больше миоальбумина, чем саркоплазма скелетной мускулатуры.

Содержание АТР в сердечной мышце 2,60 мкмоль/г , что ниже, чем в скелетной (4,43 мкмоль/г), и выше, чем в гладкой (1,38 мкмоль/г).

Содержание гликогена в сердечной мышце также занимает промежуточное положение между скелетной и гладкой мускулатурой.

Как в сердечной, так и в гладкой мускулатуре обнаруживаются следы анзерина и карнозина (< 0,1 г/1 кг сырой массы).

Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче глицерофосфолипидами, окисление которых, вероятно, дает значительную часть энергии, необходимую для сокращения.

Миокард использует на энергетические нужды лактат, приносимый кровью из скелетных мышц при их интенсивной работе.