Биология том 2 — руководство по общей биологии — 2004

Roll and lock: поворачиваем и запираем

По гипотезе рычага, в мышечном сокращении существует только
один момент генерации силы — когда поворачивается миозиновый хвост
(рычаг). Однако некоторые данные рентгенографии и томографии мышц не то
чтобы не согласуются с этой теорией, а свидетельствуют о том,
что существует еще какой-то непонятный момент в сокращении мышцы,
который гипотеза рычага не объясняет. Поэтому группа исследователей под
руководством А. К. Цатуряна предложила теорию мышечного
сокращения под названием «Roll and lock» — «Поворачиваем и
запираем» (см.: Michael A. Ferenczi et al., 2005. The «Roll and Lock» Mechanism of Force Generation in Muscle).
По этой теории, миозиновые головки садятся на актин еще
до гидролиза АТФ, причем садятся не стройно и организованно, а как
попало. На головке миозина есть длинный выступающий домен —
«щуп», — который «нащупывает» подходящую себе (кислую и
отрицательно заряженную) часть актиновой нити и прилипает
к ней — как придется, под первым попавшимся углом. Однако
стоит произойти гидролизу АТФ, как миозин меняет свою конформацию,
головки поворачиваются под нужным углом и крепко и четко, как ключ
с замком, сцепляются с актиновой нитью, а из миозинового
кармана выбрасывается фосфат. И вот только после этого происходит
поворот рычага. Иными словами, модель получается двухстадийной — на
первом этапе головка миозина крепко и четко вцепляется в актин и
при этом немного поворачивается, а на втором — поворачивается
рычаг, причем сила, которая потом приведет к движению мышцы,
генерируется на обоих этих этапах.

Помимо рентгеноструктурных и томографических данных, которые очень
хорошо согласуются с теорией «Roll and lock», существует и
несколько косвенных, но очень красивых доказательств ее правоты.
Например, известно, что во время мышечного сокращения, в том
случае, если мышца не меняет свою длину, всего чуть более
40% миозиновых головок сидит на актине, а остальные болтаются
ни к чему не присоединенными. Однако когда сжатую мышцу насильно
растягивают (например, такое бывает при беге, когда человек
приземляется на напряженную мышцу), то жесткость мышцы резко
увеличивается из-за того, что почти все свободные миозиновые головки
резко сцепляются с актиновой нитью. Однако, судя
по рентгеноструктурным данным, сцепляются они отнюдь не «намертво»,
как ключ с замком, а просто как попало. Объяснить это можно как
раз с помощью теории «Roll and lock». Гидролиз АТФ при растяжении
мышцы прекращается (оно и понятно: какой смысл тратить АТФ, если работа
совершается не мышцей, а над мышцей), и все
миозиновые головки переходят в состояние «активного актинового
поиска» — их торчащий щуп ищет актиновую нить, нащупывает
на ней подходящее место и сцепляется с ним — не
крепко-накрепко, не как ключ с замком, а как попало. Однако
для того, чтобы увеличить жесткость мышцы (и этим защитить
кости от перелома) этого оказывается достаточно.

Гипотеза рычага

Теперь пришло время подробней разобраться, что же происходит
с миозином при мышечном сокращении. Начнем с общепринятой
в настоящее время теории, известной под названием «Гипотеза
рычага».

Посмотрим внимательнее на молекулу миозина (а конкретнее —
самого удобного для исследований миозина II, рис. 7). Понятно,
что в головке миозина должно быть как минимум два важных
места — одно, хватающееся за актин, и второе, в которое
залезает АТФ. Исследователи, работающие с миозином, остроумно
назвали «актиновый» участок головки «пастью», а «АТФный» —
«карманом». И пертурбации, происходящие с миозином, можно
описать довольно грубым выражением: «закрой пасть и держи карман шире».

Дело в том, что, чтобы АТФный карман открылся и в него мог
попасть АТФ, актиновая пасть должна быть закрыта (то есть миозин
должен сидеть на актине): закрытая верхняя челюсть пасти оттягивает
створку кармана, и тот открывается. АТФ влезает в широко раскрытый
карман.

И вот тут начинается самое интересное. Гидролиз АТФ может происходить
только в закрытом кармане, а для того, чтобы карман закрылся,
должна открыться пасть — то есть миозин должен отвалиться
от актина. Но это еще не всё. Чтобы обеспечить гидролиз,
окрестности кармана должны немного перестроиться, сдвинуться. Сдвигаясь,
околокарманные участки вызывают небольшие изменения соседних областей,
которые, в свою очередь, приводят к тому, что жесткий домен
миозина под названием «конвертер» перебрасывается из одного
устойчивого положения в другое и тянет за собой миозиновый
хвост, отклоняя его на целых 60°. Курок взводится.

Теперь начинается следующий акт. Миозин с карманом, набитым АДФ и
фосфатом, должен обязательно прильнуть к актину и закрыть пасть,
потому что иначе выплюнуть фосфат он не в состоянии (то есть
чисто теоретически он его когда-нибудь выплюнет, но очень нескоро;
поэтому миозин — это, по сути, актин-зависимая АТФаза). Миозин
сначала слабо связывается с актином при помощи
электростатических взаимодействий, а затем запускается процесс закрытия
пасти. Происходит это так. В результате конформационных изменений
миозиновая головка разворачивается к актиновой нити таким образом,
что, во-первых, образует контакт, очень большой по площади (больше
18 нм2!), а во-вторых, миозин сцепляется сразу
с двумя актиновыми молекулами с помощью гидрофобных и
электростатических взаимодействий, в результате чего сродство
миозина к актину оказывается в тысячу раз выше, чем при первом
соединении.

Итак, миозин выплевывает фосфат и, крепко-накрепко вцепившись
в актин, претерпевает обратные конформационные изменения —
хвост его «выстреливает», сдвигается относительно головки. Это
происходит сразу на множестве молекул миозина и потому приводит
к движению актиновой нити относительно миозиновой, а
следовательно — и к сокращению мышцы. После этого АДФ
выбрасывается из кармана. Миозин остается сцеплен с актином; пасть
его закрыта — даже заперта! — крепко-накрепко, и если клетка
мертва и все АТФ в ней уже закончились, то на этом грустном
моменте история заканчивается, миозин и актин так и остаются
в навсегда сцепившемся, застывшем состоянии, а у организма
начинается трупное окоченение. Более оптимистичный сценарий, характерный
для живой клетки с солидным запасом АТФ, предполагает, что
в карман (который, как мы помним, головка с закрытой пастью
держит шире) влезает новая молекула АТФ, пасть открывается, миозин
отлипает от актина и цикл повторяется заново.

Источники:

1) Лекции А. К. Цатуряна и С. Ю. Бершицкого на Зимней школе FutureBiotech.
2) Н. А. Кубасова, А. К. Цатурян. Молекулярный механизм работы актин-миозинового мотора в мышце // Успехи биологической химии. 2011. Т. 51.
С. 233–282 — относительно свежий, очень подробный и хорошо написанный русскоязычный обзор по теме, находится в свободном доступе.
3) К. Бэгшоу. Мышечное сокращение // М.: Мир. 1985.
4) Н. Б. Гусев. Молекулярные механизмы мышечного сокращения // Соросовский образовательный журнал, т. 6, №8, 2000. С. 24–32.
5) А. Н. Тихонов. Молекулярные моторы. Часть 2. Молекулярные основы биологической подвижности // Соросовский образовательный журнал, с. 18–24, 1999.

Открытая кинетическая цепь

Steindler определил открытую кинетическую цепь как «комбинацию последовательно расположенных суставов, в которых терминальные сегменты могут свободно перемещаться». Таким образом, дистальный сегмент конечности может свободно двигаться в пространстве, например: можно двигать стопой во время фазы переноса в цикле ходьбы или разгибать колено в положении сидя.

Характеристики открытой кинетической цепи

• Упражнения, выполняемые в условиях открытой кинетической цепи, как правило, характеризуются вращательным паттерном движения в суставе. Например, при разгибании колена в положении сидя, основным движением в суставе является вращение дистальной большеберцовой кости относительно проксимальной бедренной кости, даже если происходят другие дополнительные движения.
• Движения в открытой цепи происходят вокруг одной основной оси – во время разгибания колена в положении сидя движение происходит в сагиттальной плоскости.
• Как правило, количество одновременно движущихся сегментов ограничено одним. «Один сегмент сустава (т.е. бедренная кость) остается неподвижным во время разгибания колена, в то время как другой сегмент, формирующий сустав (т.е. голень), является подвижным». Это добавляет контроля к упражнению из-за стабильности неподвижного сегмента (т. е. бедра).
• Упражнения данного типа обеспечивают более изолированную активацию мышц, поскольку для выполнения движения используется меньшее количество сопряженных мышц.

Характеристики активности при отсутствии весовой нагрузки

• Увеличение сил дистракции и ротации.
• Увеличенные силы ускорения.
• Сниженные силы сопротивления.
• Увеличение деформации механорецепторов
  суставов и мышц.
• Увеличение концентрической силы ускорения
  и эксцентрической силы торможения.
• Содействие функциональной активности.
• Требуется взаимодействие агонистов и
  антагонистов.

Упражнения с открытой цепью полезны для работы с
конкретными мышцами. Ниже приводятся некоторые примеры.

Примеры упражнений

• Жим штанги лежа на скамье.
• Сгибание рук с гантелями стоя.
• Разведение гантелей на скамье.
• Тяга верхнего блока к груди.
• Разгибание рук на трицепс.
• Разгибание коленей в положении сидя.
• Полное разгибание ноги в коленном суставе.
• Сгибания ног на бицепс бедра.
• Подошвенное и тыльное сгибание стопы.

Особенности концепции кинетической цепи

Некоторые упражнения сложнее классифицировать по отношению к открытой или закрытой кинематической цепи. Примером может служить тренажер, имитирующий ходьбу по лестнице, поскольку каждая ступня «фиксируется» на педали, которая непрерывно движется во время выполнения упражнения. То же самое можно сказать и о езде на велосипеде, хотя это и закрытая система, но исследователи и клиницисты не классифицируют это как упражнение, осуществляемое в условиях закрытой цепи.

В своем блоге под названием «Проблема кинетической цепи» Mike Reinold бросает вызов идее кинетической цепи двумя способами. Во-первых, не все звенья цепи одинаково важны, поэтому следует думать о ней как о цепной реакции, а не просто как кинетической цепи. «Возьмем в качестве примера тазобедренный сустав. Любая тугоподвижность, нестабильность или дисбаланс тазобедренного сустава будут иметь большое влияние на поясницу и колени, и гораздо меньшее воздействие на суставы, расположенные от него на некотором расстоянии». Во-вторых, кинетическая цепь должна включать структуры между каждым звеном (т.е. мышцы, фасции, связки, сухожилия и т.д.). «Сустав не должен просто влиять на суставы, а мышцы — на мышцы. Все эти структуры работают и взаимодействуют друг с другом. Отличным примером этого является верхний перекрестный синдром».

Butler и Major предложили проводить четкое различие между положением с активным нейромышечным контролем (например, положение сидя с прямой спиной) и положением с недостатком контроля (например, положение сидя ссутулившись). Авторы ввели новую терминологию: (1) контролируемые замкнутые кинематические цепи (КЗКЦ) и (2) контролируемые открытые кинематические цепи (КОКЦ). КОКЦ подразумевает активный контроль всех суставов, где одна часть цепи «может соприкасаться с опорной поверхностью», но это не является обязательным требованием.

Азбучные истины

Начнем с азов — собственно, с классической теории мышечного сокращения. Базовая сократительная единица мышечной ткани называется саркомером. Края саркомера — Z-диски — состоят из переплетающихся нитей различных белков. К одному из этих белков цепляются актиновые микрофиламенты, вдоль которых тянутся регуляторные белки тропонин и тропомиозин (рис. 2). Другой белок — титин, самый большой из известных в настоящее время белков, — крепится к соседнему участку Z-диска и служит длинной-длинной основой, с которой связываются молекулы белка миозина. Таким образом, саркомер состоит из чередующихся тонких (образованных многочисленными молекулами актина и регуляторными белками) и толстых (состоящих из тоже многочисленных молекул миозина и вспомогательных белков) нитей.

И вот начинается кое-что интересное. Импульс, подошедший к нервно-мышечному соединению, вызывает повышение внутриклеточного уровня кальция. Кальций присоединяется к регуляторным белкам, которые обматывали актин и загораживали его от миозина, в результате чего эти белки смещаются, и головка миозина, содержащая продукты гидролиза АТФ, приникает к молекуле актина. В результате различных пертурбаций (которые подробно описаны ниже), миозин крепко сцепляется с актином и меняет свою конформацию, поворачивая хвост относительно головки и выплевывая продукты гидролиза. Это происходит на множестве миозиновых головок и приводит к тому, что актиновая нить чуть-чуть сдвигается относительно миозиновой. Затем крепко сцепленный с актиновой нитью миозин связывается с АТФ, отцепляется от актина и претерпевает обратные конформационные изменения — то есть отворачивает хвост обратно (рис. 3).

Так, перебирая головками, миозиновые молекулы и обеспечивают работу мышцы. Расслабление же мышц происходит тогда, когда к мышечной клетке перестал подходить импульс и в нее перестал поступать кальций. Тогда отцепившиеся друг от друга актиновые и миозиновые нити постепенно возвращаются в свое первоначальное положение (отчасти благодаря эластичным свойствам молекул титина), и мышца расслабляется.

Вообще, способность миозина двигаться вдоль актиновой нити — это слишком удобное свойство, чтобы использовать его только для мышечного сокращения. Поэтому множество различных видов миозина (их еще называют «миозиновыми моторами», их филогенетическое дерево показано на рис. 4) применяется разными видами клеток для множества разнообразных функций — помимо собственно сокращения мышц они могут обеспечивать внутриклеточный транспорт, двигать трансмембранные белки и так далее (рис. 5).

Различные миозины сильно отличаются друг от друга по строению (рис. 6): они могут быть одноголовыми или двухголовыми, с длинными или короткими хвостами; однако главная функциональная часть — головка — имеет практически одинаковое строение у всех видов миозина. То есть принцип работы миозина одинаков во всех случаях, а детали (например, размер хвоста) обеспечивают ту или иную специализацию.

Миозины — это не единственные моторные белки. Помимо них существует еще два класса моторов — динеины и кинезины. В отличие от миозинов, которые двигаются по актиновой нити, динеины и кинезины бегают по микротрубочкам, причем динеины — только в одну сторону, а кинезины — только в противоположную.

Лечение

Таблетки от судорог в ногах должен назначать только врач после предварительного обследования и выяснения причины такого состояния. Медикаментозно удается купировать приступ судорог, затем назначается комплексное лечение, которое предназначено для устранения причины такого симптома.

В большинстве случаев лечение проводится с помощью консервативных методов. Назначаются такие группы препаратов:

• поливитаминные комплексы;
• препараты для расслабления напряженных мышечных тканей;
• лекарства для улучшения кровоснабжения;
• обезболивающие средства.

Параллельно может назначаться курс массажа, физиотерапия. Лечением сосудистых заболеваний занимается флеболог. Сахарный диабет лечит эндокринолог, поясничный радикулит и миозит лечит невролог или терапевт

Очень важно не медлить с обращением к специалисту, особенно если приступы спазм в мышцах происходят чаще двух раз в месяц

Теория скользящей нити

Схематическое объяснение гипотезы скользящей нити

Теория скользящей нити родилась из двух последовательных статей, опубликованных 22 мая 1954 г. Природа под общей темой «Структурные изменения мышц при сокращении». Хотя их выводы были фундаментально похожи, лежащие в основе их экспериментальные данные и предположения были разными.

Гипотеза Хаксли-Нидергерке

Первая статья, написанная Эндрю Хаксли и Рольфом Нидергерке, называется «Интерференционная микроскопия живых мышечных волокон». Это было основано на исследовании мышц лягушки с помощью интерференционного микроскопа, разработанного Эндрю Хаксли для этой цели. Согласно им:

1. полосы I состоят из актиновых нитей, а полосы A — главным образом из миозиновых нитей; и
2. во время сокращения актиновые филаменты перемещаются в полосы А между миозиновыми филаментами.

Гипотеза Хаксли-Хэнсона

Вторая статья, написанная Хью Хаксли и Джин Хэнсон, называется «Изменения поперечных полос в мышцах во время сокращения и растяжения и их структурная интерпретация». Он более сложен и основан на исследовании мышц кролика с использованием фазового контраста и электронных микроскопов. Согласно им:

1. основу мышечного волокна составляют актиновые нити, которые простираются от линии Z до одного конца зоны Н, где они прикреплены к эластичному компоненту, который они назвали S-нитью;
2. миозиновые нити проходят от одного конца полосы А через зону Н до другого конца полосы А;
3. миозиновые нити остаются относительно постоянной длины во время растяжения или сокращения мышц;
4. если миозиновые нити сокращаются за пределы длины полосы А, их концы складываются вверх, образуя полосы сокращения;
5. филаменты миозина и актина лежат бок о бок в полосе А и в отсутствие АТФ они не образуют поперечных связей;
6. при растяжении увеличиваются в длине только I-полосы и H-зона, а A-полосы остаются прежними;
7. во время сокращения актиновые филаменты перемещаются в полосы A, и зона H заполняется, полосы I укорачиваются, линия Z входит в контакт с полосами A; и
8. возможной движущей силой сокращения являются актин-миозиновые связи, которые зависят от Гидролиз АТФ миозином.

О судорогах в ногах

Когда сводит ноги судорогой, это часто сопровождается неприятными, болезненными ощущениями, сильным дискомфортом, невозможностью пошевелить конечностью. Чаще с таким явлением сталкиваются люди преклонного возраста, беременные, профессиональные спортсмены.

Для этого явления характерный сильный мышечный спазм. Ткани становятся очень упругими и плотными на ощупь. Этот спазм может распространяться на всю конечность, на ступню, бедренные мышцы. Но чаще спазмы возникают в икроножных мышцах. Если такой симптом возникает регулярно, сопровождается болезненностью, негативно влияет на качество жизни, необходимо посетить врача, чтобы выяснить причины судорог в ногах и провести своевременное лечение.

Закрытая кинетическая цепь

Определение закрытой кинетической цепи, данное Steindler,
означает, что дистальный сегмент испытывает «значительное» внешнее
сопротивление, препятствующее его движению. Таким образом, это система, в
которой ни проксимальный, ни дистальный сегменты не могут двигаться. Движение в
одном сегменте замкнутой цепи вызывает предсказуемое движение во всех других
соединениях. Например, во время приседания движение в коленном суставе
сопровождает движение в тазобедренном и голеностопном суставах.

К сожалению, Steindler не дал количественной оценки термина «значительное» в своем первоначальном определении, что привело к путанице и разногласиям в отношении того, что считается истинным движением в закрытой кинематической цепи.

Строго говоря, в условиях закрытой цепи вообще невозможно какое-либо движение конечностей, за исключением изометрических сокращений, которые не сопровождаются перемещением конечностей в пространстве. 

Однако, в клинической практике закрытая цепь определяется как «сопротивление, оказываемое через дистальную часть конечности и остающееся неизменным на протяжении всего упражнения». Лучшим примером этого являются приседания, потому что ноги остаются неподвижными на земле, т.е. поверхность опоры создает значительное сопротивление в зависимости от массы тела спортсмена или дополнительного веса.

На протяжении 20 лет упражнения в закрытой цепи все чаще включаются в реабилитационные программы из-за присущей им функциональной стимуляции.

Характеристики закрытой кинематической цепи (на примере приседаний)

• За счет осевой нагрузки на суставы
  возникает линейный паттерн напряжения на бедренно-большеберцовом суставе.
• Движение происходит в нескольких суставах
  и по нескольким осям, в нем участвуют тазобедренный, коленный, голеностопный и подтаранный
  суставы.
• Двигаются оба сегмента (бедро и голень).
• Вследствие одновременного движения
  сегментов задействуется больше мышц, что необходимо для лучшей стабилизации и
  контроля во время выполнения упражнения.

Биомеханические и нейрофизиологические характеристики

• Условия для выполнения упражнений в замкнутой кинетической цепи подчеркивают необходимость последовательности движений и правильного расположения функционально связанных суставов.
• Упражнения в замкнутой цепи стимулируют проприоцептивную систему, что необходимо для инициирования и контроля паттернов активации мышц.

Примеры упражнений

• Отжимания или подтягивания. Эти упражнения подразумевают совместное сокращение трицепсов, бицепсов, дельтовидных мышц, большой и малой грудных мышц, мышц спины. Это необходимо для стабилизации в различных соотношениях в зависимости от значений угла и рычага.
• Приседания, выпады, жимы ногами, становые тяги, силовое взятие на грудь. Эти упражнения подразумевают сокращение квадрицепсов, хамстрингов, флексоров бедра, камбаловидной и икроножной мышц. В движении участвуют тазобедренный, коленный и голеностопный суставы.

Причины

Спазмы в мышцах ног могут быть спровоцированы повышенной активностью коры головного мозга. Также такое случается, если ухудшается нервная проводимость волокон, если уменьшается уровень АТФ в крови. Такие процессы развиваются после интенсивных физических нагрузок, после перенесенной черепно-мозговой травмы, под влиянием стрессовой ситуации, при ношении неудобной обуви. Причины появления судорог могут быть различными. Самой частой из них является варикозное расширение вен. Определить провоцирующий фактор такого симптома может флеболог после предварительной диагностики.

Среди самых частых причин появления дневных или ночных судорог в ногах можно выделить:

1. Дефицит минеральных веществ и витаминов. Может возникать при обезвоживании организма, после интенсивных физических нагрузок, при отсутствии полноценного питания. Спровоцировать такой симптом может нехватка витаминов группы В, магния.
2. При сахарном диабете может развиваться гипогликемия. Эта патология появляется при введении инсулина. Выполнять лечение должен только специалист, он составляет схему терапии, выбирает оптимальные дозировки инсулина в каждом конкретном случае.
3. Чрезмерные физические нагрузки. Такое часто наблюдается у людей, которые занимаются спортом. В группе риска футболисты, баскетболисты и тяжелоатлеты.
4. Судороги могут появляться при тромбофлебите, варикозном расширении вен, независимо от стадии развития этих заболеваний.
5. Атеросклеротическая болезнь сопровождается высокой нагрузкой на всю кровеносную систему. Особенно страдает сердце, сосуды. Причинами развития патологии являются наследственная предрасположенность, вредные привычки, нездоровое питания, высокий уровень холестерина.
6. Заболевания сердца и сосудов негативно влияют на кровоток. Это сопровождается отечностью, болевыми ощущениями и судорогами в ногах по ночам и днем.
7. Изменения гормонального фона могут спровоцировать судороги ног у женщин в период вынашивания ребенка. Такая проблема может появляться на фоне приема оральных контрацептивов, при менопаузе, в пубертатном периоде при кардинальных изменениях в гормональном фоне.
8. При повышенной нагрузке на центральную нервную систему, при частых сильных стрессах, нарушениях сна также могут возникать спазмы в мышцах. Такой симптом проходит самостоятельно, если удается справиться со стрессом и восстановить свой режим.

Судороги могут возникать не только как симптом болезни. Есть и другие причины такой проблемы, не связанные с заболеваниями:

1. Многие женщины выбирают красивую, но не удобную обувь на каблуках. При регулярном ношении неудобных туфель может развиваться варикозное расширение вен. Ноги отекают, болят, появляются болезненные спазмы в мышцах.
2. Несбалансированное питание. При отсутствии полноценного питания развиваются хронические заболевания пищеварительной системы, возникает авитаминоз. Организм реагирует на это по-разному, в том числе и болезненными спазмами.
3. Неконтролируемый прием антибиотиков, противовоспалительных препаратов, обезболивающих средств.

Ночные судороги в ногах

Спазмы мышц ног в ночное время возникают чаще всего. Дискомфорт во время сна бывает кратковременным либо длительным. Спустя какое-то время после приступа человек чувствует слабость в мышцах. Такое состояние часто является симптомом хронической венозной недостаточности. В группу риска входят люди преклонного возраста, беременные.

При перегрузке мышц, дегидратации либо длительном пребывании в одном положении могут возникать судороги ночью. В большинстве случаев такое состояние является идиопатическим, то есть, возникает без причин. Чаще такие приступы не являются опасными для здоровья. Но иногда они могут свидетельствовать о таких состояниях:

• венозная недостаточность;
• артериальная дисфункция.

Чаще ночные приступы спазмов возникают в икроножных мышцах. Непроизвольные сокращения сопровождаются внезапной резкой болью, затвердением тканей, дискомфортом, покраснением и отечностью, мышечной слабостью. Не стоит заниматься самолечением и принимать какие-то лекарства от судорог в ногах. Нужно вовремя обращаться к флебологу, чтобы выяснить причину такого симптома.