CC BY
172
АТФ - «ЭНЕРГО-СМАЗОЧНЫЙ» КОМПОНЕНТ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ
Мышечное сокращение, АТФ, энерго-смазочный компонент, актин, миозин, тропо-
миозин, тропонин.
Педагогический процесс в вузе, организованный на высоком уровне, вызывает у студентов повышенный интерес к обучению, связанный с познавательной деятельностью новейших достижений в науке. Развитие педагогической науки по физической культуре и спорту связано с множеством направлений как чисто педагогических, так и биологических в большом их разнообразии, которые интегрируются в рамках нового научного направления — биопедагогики. Физическая деятельность связана с работой мышц, и знание теории мышечного сокращения имеет громадное значение для развития человека и высоких спортивных достижений.
Отдавая дань общепринятым положениям о роли аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), X. Иост отмечает, что «первичным источником энергии для мышечного сокращения, по-видимому, является АТФ». Автор далее пишет: «Надежно установлено, что АТФ, необходимая для сокращения, может образовываться в процессе углеводного обмена, происходящего в мышечной клетке, а также путем регенерации из АДФ благодаря распаду запасенного в клетке креатинфосфата. Теперь остается выяснить вопрос, непосредственно касающийся роли АТФ в процессе мышечного сокращения: каким образом процесс высвобождения энергии при гидролизе АТФ сопряжен с процессом скольжения нити? На этот вопрос до сих пор не получено удовлетворительного ответа. Известно, что АТФ необходима как для сокращения, так и для поддержания мышцы в расслабленном состоянии» [Иост, 1975, с. 653].
В 1973 году были опубликованы интересные данные, полученные H.G. Мапп-herz и сотр. (1973) и К.С. Holmes (1975): изменение ориентации головки миозино-вых молекул происходит в результате сорбции (от лат. sorbeo — поглощаю: поглощение твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды) АТФ на мостике (имеются в виду миозиновые головки) до гидролиза АТФ миозином. Это обстоятельство, по мнению J. Gergely, заставляет считать, что молекулярный механизм мышечного сокращения далеко еще не ясен и требует дальнейшей разработки [Gergely, 1973, с. 373]. Данные Mannherz и сотр. и Holmes в дальнейшем были подтверждены: молекула миозина обладает ферментативной АТФ-азной активностью (АТФ+ШО—>АДФ+Ф+40кДж/моль), а активные центры АТФ-азы расположены на головках миозина [Биохимия, 2003, с. 266].
Мышца сильно отличается от других тканей тем, что ее потребность в энергии в форме АТФ при сокращении может почти мгновенно возрастать в 200 раз! [Иост, 1975, с. 653]. Для образования АТФ необходима значительная энергия (более чем 40 кДж/моль на каждую реакцию синтеза АТФ). Следовательно, и для образования АТФ тепловая энергия должна увеличиться тоже в 200 раз. При достаточном количестве тепла (энергии) фосфорная кислота соединяется с АДФ, образуя АТФ.
«Очевидно, в естественных условиях АТФ регенерирует из креатинфосфата с очень большой скоростью. Поскольку креатинфосфат не связан структурно с белка-
ми миофибрилл, механизм, осуществляющий перенос энергии между креатинфос-фатом и АДФ, должен функционировать с очень высокой эффективностью» [Иост, 1975, с. 653]. Высокая эффективность реакции АДФ с креатинфосфатом непременно связана с температурным режимом саркомера. Такая реакция — потребитель тепловой энергии, играет роль холодильника. Это подтверждает теорию преобразования химической энергии в механическую с обязательной динамикой теплового баланса: нагревание и охлаждение. Однако здесь имеет место пока теоретический дисбаланс, связанный с тем, что энергии гидролиза АТФ не хватит для обратного процесса — регенерации, учитывая еще и системные потери тепла. Отсюда очень важный вывод: должен существовать дополнительный мощный импульсный источник тепловой энергии, чтобы в течение сокращения саркомера обеспечить увеличение количества АТФ при постоянном расходе в 100-200 раз.
Процитируем описание мостиковой системы сокращения мышц. «В покое мостик заряжен энергией (миозин фосфорилирован), но он не может соединиться с нитью актина, ибо между ними вклинена система из нити тропомиозина и глобулы тропонина. При активации мышечного волокна и появлении в миоплазме ионов Са2+ (в присутствии АТФ) тропонин изменяет свою конформацию и отодвигает нить тропомиозина, открывая для миозиновой головки возможность соединения с актином» [Начала физиологии, 2002, с. 101].
Поскольку, как считают, АТФ поставляет энергию для сокращения, напрашивается вывод, что удаление АТФ вызовет расслабление мышцы. Но оказалось, что этого не происходит. Мышца становится напряженной и не поддается растяжению при исчерпании запасов АТФ. Это состояние известно как трупное окоченение, и обусловлено оно тем, что поперечные мостики не могут отделиться от актиновых филаментов. В нормальных условиях, когда мышца обеспечена АТФ, мостики легко отделяются [Физиология человека, 2003, с. 25].
АТФ - молекула, богатая энергией, поскольку она содержит две фосфодиэфир-ные связи. При гидролизе концевой фосфодиэфирной связи АТФ превращается в АДФ и ортофосфат Р;. При этом изменение свободной энергии составляет 7,3 ккал/моль. При условиях, существующих в клетке в норме (pH 7,0, температура 37°С), фактическое значение АО0' для процесса гидролиза составляет около 12 ккал/моль. Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват [Биохимия, 2003, с. 267].
Сила мышцы при прочих равных условиях пропорциональна числу волокон, иначе площади так называемого физиологического поперечного сечения мышцы, т. е. площади поверхности, пересекающей действующие мышечные волокна. Основной особенностью мышечного волокна является наличие в протоплазме (саркоплазме) массы тонких (диаметром порядка 1 мкм) нитей — миофибрилл, расположенных вдоль длинной оси волокна. Миофибриллы, точнее, их саркомеры — это сократительный аппарат, мотор мышечного волокна [Начала физиологии, 2002, с. 94].
Разветвленная, но замкнутая система саркоплазматического ретикулума (СР, или ЯИ), примыкающая своими слепыми концами (концевыми цистернами) к Т-образным впячиваниям плазмалеммы (Т-системе), является аппаратом, обеспечивающим передачу сигналов (возбуждения) с плазмалеммы на сократительный аппарат миофибрилл [Начала физиологии, 2002, с. 94].
Таким образом, мышечная миофибрилла состоит из последовательного набора саркомеров, разделенных Z-мeмбpaнaми. Основная единица сокращения - сарко-мер. Саркомер состоит:
1) Z-мембраны ограничивают с двух сторон саркомер и являются основой для актиновых и титиновых филаментов (тонкие нитевидные структуры). Саркомер заполнен цитоплазмой, в состав которой входит 80 % воды;
2) саркомер разделен пополам М-мембраной (диском), которая является основанием для миозиновых филаментов и делит миозиновые филаменты пополам.
Очень важно: «Что касается актиновых и миозиновых филаментов, то под влиянием АТФ они приобретают жесткость» [Иванов и др., 1977, с. 28].
Авторы многочисленной литературы «гребковой» («мостиковой») теории сокращения мышц по Хакслею миозиновые головки наделяют самыми главными полномочиями при сокращении саркомеров (рабочее тело перемещения — рычаг), а АТФ — полномочиями «физической силы» (механического перемещения рабочего тела — поворот рычага). Н.А. Фомин, оценивая теорию сокращения мышц по Хакслею как факт, недоумевает: «...однако этот факт не может объяснить, почему для получения энергии природа избрала столь сложный механизм. По-видимому, со сложностью структуры связан не только процесс выделения энергии, но и последующая ее трансформация, т. е. сам механизм мышечного сокращения» [Фомин,
1982, с. 121—122]. Многие стороны молекулярного механизма мышечного сокращения пока еще недостаточно ясны [Основы биохимии, 1986, с. 408].
Рассмотрим объективные факты на основе развития «гребковой» теории сокращения мышц. Суть сокращения саркомера состоит в обоюдном скольжении навстречу друг друга актиновых филаментов вдоль миозиновых. Расслабление заключается в том же, только наоборот. Бесчисленная литература посвящена «мостиковой» (или «весельной», «гребковой»), по Хакслею, теории мышечного сокращения, и практически не один из авторов не затрагивает механизм мышечного расслабления, т. е. что заставляет филаменты скользить в обратном направлении. Например, «открытое» сердце при вскрытой грудной клетке во время операций на сердце выталкивает и «всасывает» кровь, продолжая функционировать в обеих фазах. Откуда возникает активный «пипеточный эффект» расслабления?
В настоящее время собран громадный экспериментальный материал, обобщение которого позволяет раскрыть истинный механизм сокращения и активного расслабления мышц.
Главными «героями» в теориях сокращения саркомеров являются миозиновые головки с их центрами АТФ-азной активности и АТФ. Вот один из приемов, описывающих их «роли» в состоянии покоя мышцы (саркомера) перед сокращением: «...в отсутствие АТФ (АТР), т. е. в исходном состоянии, головки молекул миозина прочно связаны с актиновыми нитями. При связывании АТФ головки отделяются от актиновых нитей» [Кольман и др.].
Возникает вопрос, а где находится АТФ в это время, если «в цитоплазме постоянно содержится 0,25 % АТФ»? Это может произойти только в том случае, когда содержание АТФ снизится до 0,1 %, за этим следует окоченение (?!). И вдруг (?) (без объяснения) головки находят АТФ: «...при связывании АТФ головки отделяются от актиновых нитей [Кольман и др.].
Допустить, что в покое образуется актиномиозиновая связь, нельзя, потому что АТФ — основной энергетический материал в клетке и его постоянное расщепление является обязательным фактором выделения тепла и поддержания жизненных функций. Скелетные мышцы в организме составляют 40 % массы организма, значит, во время сна в таком случае организм лишиться 40 % тепловой энергии: организм остынет?! При недостаточном содержании АТФ в мышечной ткани осуществление механических функций мышцы оказывается совершенно невозможным.
Далее идет стандартно у всех авторов: «АТФ-аза головок миозина гидролизует АТФ на АДФ и неорганический фосфат, но продолжает удерживать оба продукта реакции близко друг от друга». Очень «обтекаемая» фраза: «удерживать оба продукта реакции близко друг от друга». Покидают продукты гидролиза АТФ центр АТФ-азы или нет? Если покидают, то это место должно быть занято для гидролиза следующей молекулой АТФ, а АТФ и АДФ, как известно, являются ингибиторами (блокируют) образования актино-миозиновой связи.
Рассмотрим процесс гидролиза АТФ в центрах активности АТФ-азы (фермент аденозинтрифосфатаза входит в состав миозина). Фермент обладает способностью различать среди множества молекул именно те, которые должны вступать в реакцию — эти молекулы называют субстратом (Я). Ферментам свойственна высокая активность. Специфичность ферментов состоит в том, что каждый из них действует только на одну реакцию. Фермент АТФ-аза действует только на гидролиз АТФ. В контакт с субстратом вступает лишь очень небольшая часть молекулы фермента (3-5 аминокислотных остатков). Эта часть — активный центр фермента [Ермолаев,
1983, с. 92-114] (рис. 1).
Активный центр фф мента
АТФ-азы
ключ в замке"
Гидролиз АТФ
+ 40кДж/молъ Мгновенное (!) повышение тепла, и давления!
Центр АТФ-азы снова принял АТФ
_ 5
ШРадф+адфНР
40 кД ж/моль = (холодильник)
Рис. 1. Гидролиз АТФ в центрах активности АТФ-азы: 1) захват молекулы. АТФ (под Ш 1) активным центром АТФ-азой; 2) молекула АТФ (под Ш 1) образовала фермент-субстратный комплекс; 3) гидролиз АТФ (под Ш 1): мгновенное выделение тепла, нагревание и расширение жидкости между субстратом и центром, повышение выталкивающего давления продуктов гидролиза (АДФ и фосфат), в освобождающийся центр устремляется следующая молекула АТФ (под N0 2); I) молекула АТФ (под N0 2) стремительно занимает освободившийся центр; 5) образование АТФ с поглощением тепла: при повышении тепла в саркомере скорость образования АТФ может возрасти в 200 раз
Гидролиз АТФ происходит в центрах активности АТФ-азы в два этапа. Первый из них — захват молекулы АТФ активным центром АТФ-азой. В результате образовывается фермент-субстратный комплекс. Второй этап — гидролиз АТФ и мгновенное выделение тепла, нагревание и расширение жидкости между субстратом и центром, повышение выталкивающего давления продуктов гидролиза. АДФ и фосфат реактивной струей выталкивающего давления выбрасываются из центра АТФ-азы. В освобождающийся центр устремляется следующая молекула АТФ и занимает освободившийся центр. В здоровом организме этот процесс непрерывно повторяется в течение всей жизни.
Активные центры АТФ-азы расположены в миозиновых головках. Между миозином и АТФ существуют взаимоотношения фермента и субстрата. Миозин воздействует на АТФ, обеспечивая ее расщепление. АТФ изменяет сократительные свойства миозина, увеличивая его эластичность. Гидролиз АТФ происходит непрерывно, выделяя необходимое тепло, и препятствует образованию актино-миозинового комплекса, выступая в виде «смазки» между актином и миозиновыми филамента-ми. Особенность мышечной ткани — очень быстрые изменения концентрации АТФ в 100 и более раз.
Для воспроизводства АТФ необходимо много тепла (АДФ+НзРО |+40кДж—> АТФ+Н2О). Чаще всего судороги возникают у человека от переохлаждения, которое бывает во время купания в холодной воде или зимой при низких температурах. Большинство пассажиров, оказавшихся в ледяной воде северной части Атлантического океана при катастрофе «Титаника» (напомним, гигантский пароход «Титаник» наткнулся на айсберг 14 апреля 1912 г.), утонули в связи с судорогами от переохлаждения: «...температура воды за бортом всего за несколько часов опустилась с 6 градусов до ниже нулевой отметки — верный признак близости льдов».
Но как же быть с «гребковыми» движениями миозиновых головок. Этот факт констатируют практически все исследователи, начиная с Хакслея. Этот факт есть, и он объясним.
Как указывалось ранее, активные центры АТФ-азы расположены в миозиновых головках. Гидролиз АТФ вызывает мгновенное выделение тепла: нагревание и расширение жидкости между субстратом и центром. Продукты гидролиза под стремительно повышающимся давлением выбрасываются из центров АТФ-азы (расположены асимметрично на вершинах головок) реактивной струей и, в свою очередь, деформируют миозиновую головку, расширяя активные центры, увеличивают головку в размерах и перемещают ее по радиусу с центром основания головки. Эти движения действительно похожи на «гребковые».
Есть еще одна причина «гребковых» движений — это стремительное сокращение саркомера под действием сторонних сил. Движение при сокращении в жидкой среде отклоняет головки назад, а при расслаблении то же сопротивление жидкой среды отклоняет головки миозина в обратном направлении (рис. 2 и 3).
Большинство авторов отмечают хаотичные броуновские «гребковые» движения миозиновых головок. Это связано с тем, что активные центры АТФ-азы на головках расположены асимметрично и действие реактивных «двигателей» не синхронно. Асинхронность не мешает выполнению возложенной функции.
Рис. 2. Головки миозина отклоняются по ходу движения (А и Б): а - тонкие нити акт ина, м - толст ые нити миозина с утолщениями (головками) на концах
[Солодков, Сологуб, 2001, с. 52]
I------------------ 1 -------------------:
Рис. 3. Отклонения миозиновых головок по ходу движения сокращения (Б)
[Начала физиологии, 2002, с. 101]
Таким образом, миозиновые головки действительно выполняют «гребковые» движения и касаются актиновых филаментов, но между актином и поверхностью головок постоянно присутствуют молекулы АТФ и АДФ, а реактивные струи отталкивают миозиновые головки от актинового филамента. Роль миозиновых головок — с одной стороны, жестко удерживать пространственную конструкцию сарко-мера, а с другой — не мешать перемещению актиновых и миозиновых филаментов друг относительно друга с помощью АТФ и АДФ. Природа «придумала» очень экономичный способ «смазки» и «отопления» подшипника скольжения: «смазывать» надо только миозиновые головки, а не всю поверхность миозинового и актинового филаментов. Такое положение имеет подтверждение: «...отрицательные заряды АТФ и АДФ вызывают взаимное отталкивание миофибрилл актина и миозина» [Фомин, 1982, с. 123]. В основе теории сокращения мышц, по Хакслею, лежит предположение об образовании актомиозиновых комплексов в процессе сокращения. Подтверждение несостоятельности этой теории — сильные болевые ощущения при судорогах: образование актомиозиновых комплексов в состоянии сокращения (залипание миозиновых головок) очень болезненно для организма и не может быть основой для сокращения.
Библиографический список
1. Биохимия: учебник для вузов / под ред. Е.С. Северина. М: ГЭОТАР-Медиа, 2003. 779 с.
2. Ермолаев М.В. Биологическая химия. М.: Медицина, 1983. 288 с.
3. Иванов И.И., Коровкин Б.Ф., Пинаев Г.П. Биохимия мышц. М.: Медицина, 1977. 344 с.
4. Иост X. Физиология клетки: пер. с англ. М.: Мир, 1975. 864 с.
5. Кольман Я., Рем К.-Г., Вирт Ю. Наглядная биохимия. URL: http://www.xumuk.ru/bioc-hem
6. Начала физиологии: учебник для вузов / А.Д. Ноздрачев, Ю.И. Баженок, И.А. Баранникова и др. 2-е изд., испр. / под ред. акад. А.Д. Ноздрачева. СПб.: Лань, 2002. 1088 с.
7. Основы биохимии: учебник для студ. биол. ун-тов / А.А. Анисимов, А.Н. Леонтьева, И.Ф. Александрова и др.; под ред. А.А. Анисимова. М.: Высшая школа, 1986. 551 с.
8. Солодков А.С., Сологуб Е.Б. Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная: учебник. М.: Терра-Спорт: Олимпия Пресс, 2001. 520 с.
9. Физиология человека / Н. А. Агаджанян, Л.З. Тель, В.И. Т Тир кин и др. М.: Медицинская книга; Н. Новгород: Изд-во НГМА, 2003. 528 с.
10. Фомин Н.А. Физиология человека: учеб. пособие для студ. фак. физ. восп. пед. ин-тов. М.: Просвещение, 1982. 320 с.
11. Gergely J. Conformational changes in myofibrillar proteins in relation to molecular mechanisms of muscle contraction. IV Intern. Biophys. Congr., 1973. V. I. P. 373.
