Сопряжение возбуждения и сокращения
Рассмотрим процесс трансформации потенциала действия в сокращение кардиомиоцитов или процесс сопряжения возбуждения и сокращения. В его основе лежит переход химической энергии в виде макроэргических фосфатов в механическую энергию сокращений кардиомиоцитов.
Существует несколько белков, ответственных за сокращение клеток миокарда (рис. 1.17). Два из них — актин и миозин — являются главными сократительными элементами. Два других — тропомиозин и тропо-нин — выполняют регуляторную функцию.
Миозин образован толстыми филаментами, каждый филамент состоит примерно из 300 продольно расположенных молекул. Филамент миозина имеет шаровидные головки, которые равномерно распределены по его длине и содержат миозиновую АТФ-азу — фермент, необходимый для сокращения. Актин, более мелкая молекула, представлена тонкими филаментами, образующими альфа-спираль, две цепи которой расположены между толстыми филаментами миозина (рис. 1.8). Титин (также называется коннектин), недавно обнаруженный белок, способствует прикреплению миозина к Z-линии саркомера, а также влияет на эластичность сокращения.
Тропомиозин — двойная спираль, которая лежит в углублении между филаментами актина и в состоянии покоя препятствует взаимодействию между миозиновыми головками и актином, предупреждая тем самым сокращение. Тропонин равномерно распределен вдоль актиновых нитей и состоит из трех субъединиц. Субъединица тропонин С (ТН-С) ответственна за связывание ионов кальция и тем самым — за процесс сокращения. Тропонин I (TH-I) — субъединица, тормозящая активность АТФ-азы, осуществляющую связь актин-миозин. Тропонин Т (ТН-Т) — субъединица, связывающая тропониновый комплекс с актином и молекулами тро-помиозина.
Во время фазы 2 потенциала действия, Са++ проникает в миоциты через кальциевые каналы сарколеммы и Т-каналы. Относительно малое количество кальция, поступившего в клетку, не способно вызвать сокращение миофибрилл, однако оно стимулирует массивный выход Са++ из сарко-плазматического ретикулума (рис. 1.18). В результате этого концентрация кальция в клетке увеличивается в 10 раз.
Когда ионы кальция связаны с ТН-С, тормозится активность ТН-Т; это обусловливает изменение строения тропомиозина. В результате становится возможным взаимодействие между актином и миозином, приводящее к сокращению.
Мышечное сокращение развивается вследствие связывания головок миозина с актиновыми филаментами и сгибания головок. В результате этого тонкие и толстые филаменты движутся друг вдоль друга за счет энергии АТФ (рис. 1.19). Первым этапом в этом процессе является активация головки миозина при гидролизе АТФ, после чего головка миозина связывается с актином, образуя поперечный мостик. Взаимодействие головки миозина с актином приводит к структурным изменениям в головке, вызывающим ее сгибание Это сгибательное движение вызывает смещение актинового филамента вдоль миозинового.
Пока головка миозина все еще связана с актином, дополнительная молекула АТФ связывается с головкой миозина и вытесняет АДФ, образовавшийся при предшествующем гидролизе АТФ. Связывание нового АТФ с головкой миозина приводит к высвобождению филамента актина, а гидролиз АТФ возвращает головку миозина в разогнутое состояние, подготавливая ее к следующему циклу.
Образование и разрыв связей актина и миозина приводит к укорочению мышечного волокна за счет увеличения степени перекрывания толстых и тонких филаментов внутри каждого сар-комера. В присутствии АТФ этот процесс может продолжаться до тех пор, пока концентрация кальция будет достаточной, чтобы препятствовать блокирующему действию комплекса тропонин-тропомиозин.
В завершение фазы 2 потенциала действия, Са++ каналы закрываются, кальций перестает поступать в саркоплазму. В это время кальций удаляется в саркоплазматический ретикулум или выходит из клетки (рис. 1.18). Разрыв связи ионов кальция с тропонином С приводит к тому, что тропо-миозин блокирует связь актина с миозином, приводя к расслаблению клеток. С началом следующего потенциала действия цикл сокращения и расслабления может вновь повториться.
Доказано, что концентрация Са++ внутри клетки является главным фактором, определяющим силу сердечного сокращения. Механизмы, которые способствуют повышению концентрации внутриклеточного кальция, увеличивают силу сокращения, в то время как факторы, снижающие концентрацию кальция — уменьшают силу сокращения.
Читать далее: Бета-адренергическая стимуляция и клеточная сигнализация