Введение
Две белковые нити миофибрилл в мышечных клетках.
Миофиламенты – это три белковые нити миофибрилл в мышечных клетках. Основные белки, участвующие в их формировании, – миозин, актин и титин. Миозин и актин – это сократительные белки, а титин – эластичный белок. Миофиламенты действуют совместно при мышечном сокращении, и по размеру располагаются в следующем порядке: толстые, состоящие преимущественно из миозина, тонкие, состоящие преимущественно из актина, и очень тонкие, состоящие преимущественно из титина. Существуют различные типы мышечной ткани: поперечнополосатые скелетные мышцы и сердечная мышца, косополосатые мышцы (встречающиеся у некоторых беспозвоночных) и гладкие неполосатые мышцы. Различные расположения миофиламентов формируют различные типы мышц. В поперечнополосатой мышце наблюдаются поперечные полосы, образованные нитями. В косополосатой мышце нити расположены со смещением. Гладкие мышцы характеризуются нерегулярным расположением нитей.
Структура
Существует три различных типа миофиламентов: толстые, тонкие и эластичные. Толстые нити состоят в основном из одного типа миозина, моторного белка – миозина II. Каждая толстая нить имеет диаметр около 15 нм и состоит из нескольких сотен молекул миозина. Молекула миозина имеет форму клюшки для гольфа, с хвостом, образованным двумя переплетенными цепями, и двойной шаровидной головкой, выступающей из нее под углом. Половина миозиновых головок направлена влево, а половина – вправо, создавая область в середине нити, известную как M-область или голая зона. Тонкие нити имеют диаметр 7 нм и состоят в основном из белка актина, в частности, филаментозного F-актина. Каждая нить F-актина состоит из цепочки субъединиц, называемых шарообразным G-актином. Каждый G-актин имеет активный центр, который может связываться с головкой молекулы миозина. Каждая тонкая нить также содержит примерно от 40 до 60 молекул тропомиозина, белка, который блокирует активные центры тонких нитей, когда мышца расслаблена. К каждой молекуле тропомиозина присоединен меньший белок, связывающий кальций, – тропонин. Все тонкие нити прикреплены к Z-линии. Эластичные нити диаметром 1 нм состоят из титина, крупного упругого белка. Они проходят через сердцевину каждой толстой нити и закрепляют ее на Z-линии, конечной точке саркомера. Титин также стабилизирует толстую нить, центрируя ее между тонкими нитями. Он также помогает предотвратить чрезмерное растяжение толстой нити, упруго сжимаясь, как пружина, при растяжении мышцы.
Функция
Белковый комплекс, состоящий из актина и миозина, сократительных белков, иногда называют актомиозином. В полосатой скелетной и сердечной мышце актиновые и миозиновые филаменты имеют определенную и постоянную длину порядка нескольких микрометров, что значительно меньше длины вытянутой мышечной клетки (до нескольких сантиметров в некоторых клетках скелетной мышцы). Сократительная способность этого белкового комплекса обусловлена структурой толстых и тонких филаментов. Толстый филамент, миозин, имеет структуру с двумя головками, расположенными на противоположных концах молекулы. Во время мышечного сокращения головки миозиновых филаментов прикрепляются к тонким филаментам актина, ориентированным в противоположном направлении, и перемещают их относительно друг друга. Взаимодействие прикрепления миозина и движения актина приводит к укорочению саркомера. Мышечное сокращение состоит из одновременного укорочения множества саркомеров.
Сокращение мышечных волокон
Аксоновый конец моторного нейрона высвобождает нейромедиатор ацетилхолин, который диффундирует через синаптическую щель и связывается с мембраной мышечного волокна. Это деполяризует мембрану мышечного волокна, и импульс распространяется к саркоплазматическому ретикулуму мышцы через поперечные канальцы. Затем ионы кальция высвобождаются из саркоплазматического ретикулума в саркоплазму и впоследствии связываются с тропонином. Тропонин и ассоциированный с ним тропомиозин претерпевают конформационные изменения после связывания с кальцием, обнажая миозиновые сайты связывания на актине, тонком филаменте. Затем филаменты актина и миозина формируют поперечные мостики. После связывания миозин тянет актиновые филаменты друг к другу, или внутрь. Таким образом происходит сокращение мышцы, и саркомер укорачивается в процессе этого.
Расслабление мышечных волокон
Фермент ацетилхолинестераза расщепляет ацетилхолин, что прекращает стимуляцию мышечного волокна. Активный транспорт перемещает ионы кальция обратно в саркоплазматический ретикулум мышечного волокна. АТФ вызывает разрыв связей между актиновыми и миозиновыми филаментами. Тропонин и тропомиозин возвращаются в исходную конформацию, тем самым блокируя участки связывания на актиновом филаменте. Мышечное волокно расслабляется, и весь саркомер удлиняется. Мышечное волокно теперь подготовлено к следующему сокращению.
Реакция на физические упражнения
Изменения, происходящие в миофиламенте в ответ на физические нагрузки, давно представляют интерес для физиологов и спортсменов, полагающихся на их исследования для разработки самых передовых методов тренировки. Спортсмены, занимающиеся различными видами спорта, особенно заинтересованы в том, какой тренировочный протокол обеспечит максимальное развитие силы в мышце или группе мышц, поэтому большое внимание уделяется изменениям в миофиламенте при кратковременных и длительных физических нагрузках. Хотя точный механизм изменения миофиламентов в ответ на физические нагрузки у млекопитающих все еще изучается, некоторые интересные данные были получены на чистокровных скаковых лошадях. Исследователи изучили наличие мРНК в скелетных мышцах лошадей в три различных момента времени: непосредственно перед тренировкой, сразу после тренировки и через четыре часа после тренировки. Они сообщили о статистически значимых различиях в мРНК генов, специфичных для производства актина. Это исследование предоставляет доказательства механизмов как немедленного, так и отсроченного ответа миофиламентов на физические нагрузки на молекулярном уровне. В последнее время изменения белка миофиламента изучались у людей в ответ на силовые тренировки. И снова исследователи не до конца понимают молекулярные механизмы этих изменений, и изменение состава мышечных волокон в миофиламенте может оказаться не тем ответом, на который давно надеялись многие спортсмены. В этом исследовании рассматривалось удельное напряжение мышц четырехглавой мышцы бедра и латеральной широкой мышцы бедра у сорока двух молодых мужчин. Исследователи сообщили об увеличении удельного напряжения мышц на 17% после периода силовых тренировок, несмотря на снижение содержания MyHC, тяжелой цепи миозина. Это исследование приходит к выводу, что нет четкой взаимосвязи между составом мышечных волокон и напряжением мышц in vivo, а также не было обнаружено признаков уплотнения миофиламентов в тренированных мышцах.
Исследования
Другими перспективными областями исследований, которые могут пролить свет на точную молекулярную природу ремоделирования белков, вызванного физическими упражнениями, в мышцах, может быть изучение связанных белков, участвующих в архитектуре клеток, таких как десмин и дистрофин. Считается, что эти белки обеспечивают клеточный каркас, необходимый для сокращения актин-миозинового комплекса. Исследования десмина показали, что его содержание значительно увеличилось в группе, подвергшейся силовым тренировкам, в то время как увеличения десмина при тренировках на выносливость не наблюдалось. Согласно этому исследованию, не было обнаружено заметного повышения уровня дистрофина ни при силовых, ни при тренировках на выносливость. Возможно, что изменения миофиламентов, вызванные физическими упражнениями, затрагивают не только сократительные белки актин и миозин. В то время как исследования по ремоделированию мышечных волокон продолжаются, существуют общепринятые данные о миофиламентах, представленные Американским колледжем спортивной медицины. Считается, что увеличение мышечной силы обусловлено увеличением размера мышечных волокон, а не увеличением их количества и количества миофиламентов. Однако есть некоторые данные о том, что животные спутниковые клетки дифференцируются в новые мышечные волокна, а не просто выполняют поддерживающую функцию для мышечных клеток. Ослабленная сократительная функция скелетных мышц также связана с состоянием миофибрилл. Недавние исследования показывают, что эти состояния связаны с изменением производительности отдельных волокон из-за снижения экспрессии белков миофиламентов и/или изменений во взаимодействиях поперечных мостиков миозина и актина. Кроме того, клеточные и миофиламентные адаптации связаны со снижением работоспособности всей мышцы и всего организма.