Биологическая химия - часть 162

обнаруживаются лишь следы ансерина и карнозина (не более 0,1 г на 1 кг

сырой массы).

Имеется определенная зависимость между характером работы мышц

и содержанием фосфоглицеридов. Миокард по сравнению с другими мы-

шечными тканями богаче фосфоглицеридами, при окислении которых,

по-видимому, вырабатывается значительная часть энергии, необходимой

для его сокращения.

ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ В ОНТОГЕНЕЗЕ

Эмбриональная мышечная ткань по своему химическому составу зна-

чительно отличается от скелетной мускулатуры взрослых особей. В мыш-

цах эмбрионов больше воды, чем в функционально зрелой мускулатуре.

Соответственно общее содержание белка в мышечной ткани эмбрионов

в пересчете на сырую ткань оказывается более низким, чем в мышцах

животных того же вида в постнатальном периоде развития. По сравнению

с мышцами взрослого организма в функционально незрелой мышце ниже

содержание миофибриллярных белков (миозина и актомиозина) и вы-

ше – белков стромы, миоальбумина, а также глобулинов. По мере развития

плода количество миофибриллярных белков увеличивается и возрастает

АТФазная активность в мышечных экстрактах.

Для эмбриональной мышечной ткани характерно высокое содержание

нуклеопротеинов, а также РНК и ДНК. По мере развития эмбриона

количество нуклеопротеинов и нуклеиновых кислот в мышечной ткани

быстро уменьшается. Высокоэнергетических соединений (АТФ и креатин-

фосфат) в функционально незрелой мышце значительно меньше, чем

в мышцах зрелых особей. Имидазолсодержащие дипептиды (ансерин и кар-

нозин) появляются в мышечной ткани в строго определенный период

онтогенеза. Время появления этих дипептидов тесно связано с мышечной

функцией и совпадает с формированием рефлекторной дуги, обеспечи-

вающей возможность двигательного рефлекса, появлением Са

2+

-чувстви-

тельности актомиозина и началом работы ионных насосов. Имеются также

характерные особенности в ферментных и изоферментных спектрах эмбрио-

нальной мышечной ткани. Так, установлено, что в ходе онтогенеза изме-

няется изоферментный спектр ЛДГ. В экстрактах из скелетных мышц

3–5-месячного эмбриона на долю изоферментов ЛДГ

3

 и ЛДГ

2

 приходится

соответственно 40 и 31% от общей активности ЛДГ. В процессе эмбрио-

нального развития в скелетной мускулатуре происходят постепенное воз-

растание активности катодных и снижение активности анодных изофер-

ментов ЛДГ, так что у взрослых особей в скелетной мускулатуре наиболь-

шей активностью обладают уже изоферменты ЛДГ

5

 и ЛДГ

4

. В процессе

развития плода изменяется также изоферментный спектр гексокиназы

в мышечной ткани: повышается активность изофермента I и снижается

активность изофермента II. Приведенные данные об изменении хими-

ческого состава мышечной ткани в онтогенезе относятся почти исклю-

чительно к скелетной мускулатуре.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ МЫШЦ

Мышечный аппарат человека и животных характеризуется полифункцио-

нальностью. Однако основной функцией мышц является осуществление

двигательного акта, т.е. сокращение и расслабление. При сокращении

653

мышц осуществляется работа, связанная с превращением химической энер-

гии в механическую. В данном разделе в основном рассматривается

структурная основа процесса сокращения поперечно-полосатых мышц

позвоночных, поскольку этот процесс изучен наиболее полно. Как отме-

чалось, сократительная система поперечно-полосатой мышцы состоит из

перекрывающихся белковых нитей, которые скользят относительно друг

друга. Сокращение происходит за счет энергии, освобождающейся при

гидролизе АТФ. В поперечно-полосатой мышце сокращение зависит от

концентрации ионов Са

2+

, которая в свою очередь регулируется сарко-

плазматическим ретикулумом – специализированной системой мембран,

накапливающей Са

2+

 в состоянии покоя и высвобожающей его при воз-

действии на мышечное волокно нервного импульса.

Источники энергии мышечной деятельности

Принято считать, что процессом, непосредственно связанным с работаю-

щим механизмом поперечно-полосатого мышечного волокна, является

распад АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата. Возникает

вопрос: каким образом мышечная клетка может обеспечить свой сокра-

тительный аппарат достаточным количеством энергии в форме АТФ, т.е.

каким образом в процессе мышечной деятельности происходит непре-

рывный ресинтез этого соединения?

Прежде всего ресинтез АТФ обеспечивается трансфосфорилированием

АДФ с креатинфосфатом. Данная реакция катализируется ферментом

креатинкиназой:

Креатинкиназный путь ресинтеза АТФ является чрезвычайно быстрым

и максимально эффективным (за счет каждой молекулы креатинфосфата

образуется молекула АТФ). Именно поэтому долгое время не удавалось

установить уменьшение концентрации АТФ и соответственно повышение

концентрации АДФ даже при достаточно продолжительном тетанусе.

Применив специфический ингибитор креатинкиназы (1-фтор-2,4-динитро-

фенол), а также с помощью агентов, препятствующих окислительному

фосфорилированию АДФ в АТФ, Т. Кейн и соавт. (1962) смогли про-

демонстрировать прямой распад АТФ с одновременным приростом неор-

ганического фосфата и АДФ при одиночном сокращении изолированной

мышцы лягушки. Некоторое количество АТФ может ресинтезироваться

в ходе аденилаткиназной (миокиназной) реакции:

Запасы креатинфосфата в мышце невелики, а доступность энергии

креатинфосфата имеет ценность для работающей мышцы только в том

случае, если расход его постоянно возмещается синтезом АТФ в процессе

метаболизма. Для любой ткани, в том числе мышечной, известны два

фундаментальных биохимических процесса, в ходе которых регенерируются

богатые энергией фосфорные соединения. Один из этих процессов – гли-

колиз, другой – окислительное фосфорилирование. Наиболее важным и

эффективным из них является последний. При достаточном снабжении

654

Креатинфосфат + АДФ

креатинкиназа

Креатин + АТФ .

2АДФ

аденилаткиназа

АТФ

 + АМФ .

Рис. 20.7. Перенос энергии из митохондрий в цитоплазму клетки миокарда (схема

по В.А. Саксу и др.). Объяснение в тексте.

а - наружная мембрана; б - внутренняя мембрана; Кр - креатин; Крф - креатинфосфат; КК -

креатинкиназа; Т - транслоказа.

кислородом мышца, несмотря на анаэробный механизм сокращения, в ко-

нечном итоге работает за счет энергии, образующейся при окислении (в

цикле Кребса) как продуктов распада углеводов, так и ряда других

субстратов тканевого дыхания, в частности жирных кислот, а также ацетата

и ацетоацетата.

В последнее время появились данные, доказывающие, что креатинфос-

фат в мышечной ткани (в частности, в сердечной мышце) способен выпол-

нять не только роль как бы депо легкомобилизуемых макроэргических

фосфатных групп, но также роль транспортной формы макроэргических

фосфатных связей, образующихся в процессе тканевого дыхания и свя-

занного с ним окислительного фосфорилирования. Предложена схема

переноса энергии из митохондрий в цитоплазму клетки миокарда (рис.

20.7). АТФ, синтезированный в матриксе митохондрий, переносится через

внутреннюю мембрану с участием специфической АТФ–АДФ-транслоказы

на активный центр митохондриального изофермента креатинкиназы, ко-

торый расположен на внешней стороне внутренней мембраны; в меж-

мембранном пространстве (в присутствии ионов Mg

2 +

) при наличии в среде

креатина образуется равновесный тройной фермент-субстратный комплекс

креатин–креатинкиназа–АТФ–Mg

2+

, который затем распадается с обра-

зованием креатинфосфата и АДФ–Mg

2 +

. Креатинфосфат диффундирует

в цитоплазму, где используется в миофибриллярной креатинкиназной

реакции для рефосфорилирования АДФ, образовавшегося при сокращении.

Высказываются предположения, что не только в сердечной мышце, но

и в скелетной мускулатуре имеется подобный путь транспорта энергии из

митохондрий в миофибриллы.

При работе умеренной интенсивности мышца может покрывать свои

энергетические затраты за счет аэробного метаболизма. Однако при боль-

ших нагрузках, когда возможность снабжения кислородом отстает от

потребности в нем, мышца вынуждена использовать гликолитический путь

снабжения энергией. При интенсивной мышечной работе скорость расщеп-

655

а

б

Кр

КрФ

Цитоплазма

АДФ-Мg

Кр

Кр

 АТФ-Мg

KK

АТФ-Мg

Т

АТФ

АДФ

ления гликогена или глюкозы с образованием молочной кислоты увели-

чивается в сотни раз. Соответственно содержание молочной кислоты

в мышечной ткани может повышаться до 1,0–1,2 г/кг и более. С током

крови значительное количество молочной кислоты поступает в печень, где

ресинтезируется в глюкозу и гликоген (глюконеогенез) за счет энергии

окислительных процессов (см. главу 16). Перечисленные механизмы ресин-

теза АТФ при мышечной деятельности включаются в строго определенной

последовательности. Наиболее экстренным является креатинкиназный ме-

ханизм, и лишь примерно через 20 с максимально интенсивной работы

начинается усиление гликолиза, интенсивность которого достигает макси-

мума через 40–80 с. При более длительной, а следовательно, и менее

интенсивной работе все большее значение приобретает аэробный путь

ресинтеза АТФ.

Содержание АТФ и креатинфосфата в сердечной мышце ниже, чем

в скелетной мускулатуре, а расход АТФ велик. В связи с этим ресинтез АТФ

в миокарде должен происходить намного интенсивнее, чем в скелетной

мускулатуре. Для сердечной мышцы теплокровных животных и человека

основным путем образования богатых энергией фосфорных соединений

является путь окислительного фосфорилирования, связанный с поглоще-

нием кислорода. Регенерация АТФ в процессе анаэробного расщепления

углеводов (гликолиз) в сердце человека практического значения не имеет.

Именно поэтому сердечная мышца очень чувствительна к недостатку

кислорода. Характерной особенностью обмена веществ в сердечной мышце

по сравнению со скелетной является также то, что аэробное окисление

веществ неуглеводной природы при работе сердечной мышцы имеет боль-

шее значение, чем при сокращении скелетной мышцы. Только 30–35%

кислорода, поглощаемого сердцем в норме, расходуется на окисление

углеводов и продуктов их превращения. Главным субстратом дыхания

в сердечной мышце являются жирные кислоты. Окисление неуглеводных

веществ обеспечивает около 65–70% потребности миокарда в энергии. Из

свободных жирных кислот в сердечной мышце особенно легко подвергается

окислению олеиновая кислота.

Механизм мышечного сокращения

Рассмотрим, к чему сводятся представления о механизме попеременного

сокращения и расслабления мышц. В настоящее время принято считать, что

биохимический цикл мышечного сокращения состоит из 5 стадий (рис. 20.8):

1) миозиновая «головка» может гидролизовать АТФ до АДФ и Н

3

РО

4

(P

i

), но не обеспечивает освобождения продуктов гидролиза. Поэтому

данный процесс носит скорее стехиометрический, чем каталитический,

характер (см. рис. 20.8, а);

2) содержащая АДФ и Н

3

РО

4

 миозиновая «головка» может свободно

вращаться под большим углом и (при достижении нужного положения)

связываться с F-актином, образуя с осью фибриллы угол около 90° (см. рис.

22.8,

 б);

3) это взаимодействие обеспечивает высвобождение АДФ и Н

3

РО

4

 из

актин-миозинового комплекса. Актомиозиновая связь имеет наименьшую

энергию при величине угла 45°, поэтому изменяется угол миозина с осью

фибриллы с 90° на 45° (примерно) и происходит продвижение актина (на

10–15 нм) в направлении центра саркомера (см. рис. 20.8, в);

4) новая молекула АТФ связывается с комплексом миозин–F-актин (см.

рис. 20.8, г);

656