Міністерство освіти і науки України Київський національний університет імені Тараса Шевченка Біофізика скоротливих процесів к.б.н., доцент кафедри біофізики Мартинюк Віктор Семенович Життя – це безперервний рух Здатність до руху є одним із характерних властивостей живих організмів. Скорочення м'язів, биття джгутиків, поділ клітин та рух цитоплазми – все це різні форми рухової активності. В основі всіх видів руху лежить перетворення хімічної та електричної енергії на механічну, яке відбувається завдяки роботі спеціальних білків – молекулярних моторів. Структурна організація м'язового волокна Структурна організація м'язового волокна Структурна організація м'язового волокна Електронно-мікроскопічна фотографія поперечносмугастого м'язу Структурна організація м'язового волокна Електронно-мікроскопічна фотографія поперечносмугастого м'язу Структурна організація м'язового волокна Скоротливі білки м'язів Елеткронно-мікроскопічна фотографія міозинового волокна та його будова Скоротливі білки м'язів Скоротливі білки м'язів Скоротливі білки м'язів Актин-зв'язуюча ділянка Легкі ланцюги АТФ-азний центр Скоротливі білки м'язів Будова міозинової протофібрили (Мірошниченко М.С., Шуба В.Ф.) Скоротливі білки м'язів nG-актин + nАТФ F-актин + nАДФ + nФ Актинова фібрила також містить фібрилярний тропоміозин і глобулярний тропонін Скоротливі білки м'язів Тропоміозин Тропоміозин-актиновий комплекс: 1. Червона смуга - азимутальне положення тропоміозину на Fактині у відсутні Са2+. 2. Жовта смуга - азимутальне положення тропоміозину на F-актині при активації Са2+. 3. Зелена смуга - азимутальне положення тропоміозину на F-актині при повній активації. 4. Сірим кольором показано F-актин. Скоротливі білки м'язів Тропонін C Cа2+-звязуючі сайти тропоніну С Скоротливі білки м'язів Небулін та тітін (тайтін) – білки стабілізатори Скоротливі білки м'язів Небулін та тітін (тайтін) – білки стабілізатори Молекулярний механізм скорочення Скоротливі білки м'язів Молекулярний механізм скорочення Молекулярний механізм скорочення Молекулярний механізм скорочення Молекулярний механізм скорочення Регуляція м'язового скорочення 1. Потенціал дії 2. Са2+-сигнал 3. Скорочення м'язового волокна Частота стимуляції 3 Гц Частота стимуляції 7 Гц 1. Потенціал діі. 2. Са2+-сигнал Регуляція м'язового скорочення Залежність скорочення (б) та концентрації Са2+ у саркоплазмі (г) від ступінчастої деполяризації (а, в) Регуляція м'язового скорочення іонами кальцію Регуляція м'язового скорочення іонами кальцію 1. Після отримання електричного сигналу від моторного нейрону мембрана м'язової клітини деполяризується і сингал далі передається на Са2+-канали саркоплазматичного ретикулуму 2. Са2+-канали відкриваються, що призводить до підвищення концентрації Са2+ в саркоплазмі. Іони Са2+ зв'язуються з тропоніном С, що призводить до конформаціних змін у тропоніні, внаслідок яких змінюється комплекс тропонінтропоміозин і головки міозину можуть приєднуватись до актину. 3. Відбувається ініціація роботи актинміозинового циклу. 4. По завершенні скорочення рівень Са2+ знижується за рахунок його активного зворотного транспорту у саркоплазматичний ретикулум. Тропонін С віддає Са2+, комплекс тропонінтропоміозин займає вихідне положення на молекулі актину, блокуючи актинміозиновий цикл. Результатом цього є розслаблення м'язу. Регуляція м'язового скорочення іонами кальцію Кооперативно-конформаційна модель регуляторної дії іонів Са2+ (Мірошниченко М.С., Шуба М.Ф., 1987) Скоротливі білки м'язів Рух тропоміозину на F-актині при Са2+-активації скорочення Тропоміозин-актиновий комплекс: 1. Червона смуга - азимутальне положення тропоміозину на Fактині у відсутні Са2+. 2. Жовта смуга - азимутальне положення тропоміозину на F-актині при активації Са2+. 3. Зелена смуга - азимутальне положення тропоміозину на F-актині при повній активації. 4. Сірим кольором показано F-актин. Механічні характеристики скорочення Залежність між напруженням м'язового волокна (Р) та довжиною його розтягування (L) 1. Лінія пасивного напруження 2. Ліня активного ізометричного напруження Механічні характеристики скорочення Ізометричне скорочення Залежність величини напруження м'язового волокна від початкової довжини саркомера Механічні характеристики скорочення Тетанус – це скорочення м'язового волокна при його збудженні такою частотою, коли він не встигає повністю розслаблятися. Виділяють зубчастий тетанус та суцільний тетанус. Сила тетанічного скорочення завжди вище, ніж сила поодинокого ізометричного скорочення, причому концентрація Са2+ в саркоплазмі залишається однаковою. Відношення напруження поодинокого скорочення до тетанічного складає порядку 0,3 – 0,4 для швидких м'язових волокон та ще більше для повільних. Вважають, що при поодинокому подразненні не всі міозинові головки взаємодіють з актином, а при тетанусі кількість з'єднувань суттєво зростає, що призводить до значно більшої сили скорочення. Механічні характеристики скорочення Ізотонічне скорочення а. Зміна довжини м'язового волокна при поодинокому ізотонічному скороченні (у відсотках відносно початкової довжини). б. Залежність швидкості скорочення від навантаження Р0 Площа АБВГ – оптимальна потужність м'яза при швидкості 2,5 м/с, Р0 – максимальна сила ізометричного скорочення Механічно-енергетичні характеристики скорочення Під час скорочення хімічна енергія зв'язків АТФ перетворюється на механічну і теплову. При ізометричному скороченні виділяється приблизно 12.5 Дж/кг При ізотонічному виділення тепла відбувається поетапно і складається із: 1. Виділення тепла на початку скорочення, коли практично відсутнє вкорочення – теплота активації А; 2. Виділення або поглинання теплоти при розслабленні (± Qр); 3. Виділення теплоти при вкороченні (теплота вкорочення - Qв). А. Хіллом було встановлено, що величина Qв пропорційна величині вкорочення м'яза ∆L: Qв = a ∆L. Враховуючи механічну роботу W = P∆L, яке виконує м'язове порахуємо загальний енергетичний баланс: E = A + Qв + W ± Qр = A + a ∆L + P∆L ± Qр = A + (a + P)∆L ± Qр Розрахуємо потужність м'яза при його скороченні N: N = dE/dt = (P + a)∆L/dt = (Р + a)v, де v – швидкість скорочення. А. Хілл також показав, що N = b (P0 - P), де b - константа, P0 – максимальне ізометричне напруження, P– прикладене навантаження. Механічно-енергетичні характеристики скорочення Таким чином А. Хілл отримав рівняння (зараз відоме як рівняння Хілла): (a + P)v = b (P0 - P). va + vP = bP0 – bP, va + vP + bP + ab = bP0 + ab, (P + a)(v + b) = b(P0 + a) = const. b = v0a/P0, де v0 – максимальна швидкість при Р = 0, Р0 – максимальне ізометричне напруження Експериментально встановлено, що а не є константою: a = 0,16P0 + 0,18P Коефіцієнт корисної дії скелетного м'язу = W/(W +Q) = 0,45 Скорочення міокарду a. М'язові клітини робочого міокарду. б. Міоцити провідної системи (волокна Пуркіньє). в. Міоцити синусно-предсердного вузлу. г. Міоцити предсердно-шлуночкового вузлу 1 – ядра; 2 – інтеркалярний диск; 3 – поперечні смуги. Скорочення міокарду Міоцити: - мають малі розміри; - розміщені у різних напрямах; - часто гілкуються; - багато міжклітинних контактів через втавні диски, що призводить до формування клітинних “кластерів”, які поводяться разом як “велика клітина” (синхронна-кооперативна система). У міокарді латентний період у 7-10 разів довший у порівнянні зі скелетним м'язом. При ізометричному скороченні міоцити вкорочуються у 3-4 рази сильніше, ніж саркомери. Значно сильніше проявляється залежність залежить сили скорочення від початкової довжини міоцитів. Абсолютна сила скорочення менше, ніж у скелетних м'язів. У стані спокою теплопродукція міокарду у 5-10 разів вища, ніж у скелетних м'язів. К.к.д. ≈ 20-30% Скорочення міокарду Потенціали дії міокардіальних клітин а. Швідкі потенціали дії міоцитів провідної системи. б. Робочого міокарду. в. повільні потенціали синусно-предсердного вузлу. Скорочення міокарду Залежність амплітуди скорочення (нижня лінія ) від тривалості дії потенціалу дії (верхня лінія) Регуляція скорочення міокарду A. Скорочення внаслідок деполяризації і активації Са2+-струму ззовні через потенціал-залежні Са2+канали (LTCC). 1. Вхід Са2+ активує вихід Са2+ із саркоплазматичного ретикулуму через активацію реанодін-чутливі рецепторні канали (RyR). 2. Значне підвищення концентрації Са2+ активує скорочення. 3. Релаксація починається внаслідок закачування Са2+ до СР за допомогою Са2+-АТФази (SERCA2a), яка регулюється фосфоламбаном (PLB). Додатково Са2+ виводиться до міжклітинного середовища (NCX). B. ß-адренергічна стимуляція пов'язана з рецепцією адреналіну або норадреналіну. 1. Передача сигналу через G-білки на аденілатциклазу (AC) і синтез cAMP. 2. Активація PKA і PKA-залежне фосфорилювання Са2+-активуючої системи і білків міофіламентів, у тому числі тітіну. Скорочення гладеньких м'язів Гладеньком'язова клітина – це веретеноподібна клітина довжиною до 200 мкм і діаметром 5 - 10 мкм. Зовнішня мембрана має колбоподібні впинання – кавеоли. На 1 мкм2 може міститися до 30-35 кавеол. Ззовні мембрана покрита базальною мембраною, яка утворює контакти з актиновими волокнами міжклітинного середовища. Гладеньком'язова клітина має всі основні внутрішньоклітинні елементи, ЭПР складає 2-7% від об'єму клітини. Щільний зв’язок між гладеньком'язовими клітинами здійснюється завдяки спеціальним міжклітинним електричним контактам – нексусам, які характеризуються малим електричним опором. В залежності від реакції на потенціал дії клітини поділяють на фазні і тонічні. Фазні клітини гладеньком'язові у відповідь на подразнення генерують повноцінний потенціал дії за принципом “все або нічого”, тонічні – локальну деполяризацію. Скорочення гладеньких м'язів Потенціали дії гладеньких м'язів кишок (а) і сечоводу (б). Потенціали гладеньких м'язів мають форму від простих потенціалів дії тривалістю 20 - 50 мс до потенціалів дії з вираженим плато тривалістю до 1 с і більше. У розвитку потенціалу дії з плато початковий піковий компонент має кальцієву природу, а повільний компонент, яки відповідає за плато, - переважно натрієву. Скорочення гладеньких м'язів Скоротливий апарат гладеньких м'язів. Товсті протофібрили складаються з міозину, але їх будова трохи відрізняється від таких у скелетних м'язах. Товщина – 12-15 нм, довжина – 2,2 мкм. Структура міозину – близька до міозину скелетних м'язів, однак відрізняється амінокислотним складом, високою розчинністю, імунологічними властивостями, нижчою АТФ-азною активністю. Тонка протофібрила – має тіж самі компоненти, що і в скелетних мязах, за виключенням регуляторного білку тропоніну (!). Відсутність тропоніну суттєво впливає на Са2+-регуляцію скорочення гладеньких м'язів. Співвідношення товстих протофібрил до тонких – від 1:5 до 1:27, тоді як у скелетних 1:2 – 1:3. Протофібрили фіксуються до щільних тілець на мембрані, які є аналогами Z-дисків. При скороченні протофібрилли орієнтовані майже під прямим кутом відносно довгої осі м'язової клітини. Прогова концентрація Са2+, яка призводить до скорочення – 10-7 М, тому концентрація Са2+ у стані спокою значно менша ~ 10-8 М. Вихідне тонічне скорочення деяких гладеньких м'язів, особливо судинних, активується здебільшого позаклітинним Са2+ після розвитку потенціалу дії. Регуляція скорочення гладеньких м'язів Регуляція скороченнярозслаблення гладеньких м'язів β - адренорецептор; АЦ - аденілатциклаза; нПК і аПК – неактивна і активна протеїнкіназа А; Ф – фосфатаза; КЛЛМ – кіназа легких ланцюгів міозину; 17К – кальмодулін; 125 К – каталітична субодиниця КЛЛМ; А – актин; М – міозин; Л20 – легкий ланцюг міозину; ~ - фосфорильований міозин; М**ФАДФ – енергетично збагачена конформація міозину. Нем'язові види рухливості клітин Нем'язові види рухливості клітин Мікрофіламенти актину фібробласту миші Нем'язові види рухливості клітин Перебудова мікрофіламентів Нем'язові види рухливості клітин Нем'язові види рухливості клітин Нем'язові види рухливості клітин Міозин Кінезін Дінеїн Нем'язові види рухливості клітин 1. Ретроградний транспорт компонентів центросом 2. Антероградний і ретроградний траспорт проміжних філаментів 3. Антероградний і ретроградний транспорт нуклеопротеїдних комплексів 4. Взаємодія міозину, дінеїну та кінезіну з кінцевими комплексами тубуліну 5. Заякорення на актинових комплексах 6. Взаємодія кінезіну з актином 7. Катенін-опосередковане заякорення на міжклітинних контактах Нем'язові види рухливості клітин Нем'язові види рухливості клітин Війки еукаріот Нем'язові види рухливості клітин Руховий апарат бактерій Нем'язові види рухливості клітин Руховий апарат бактерій як структурний компонент мембрани Електронно-мікроскопічний знімок Нем'язові види рухливості клітин Руховий апарат бактерій як структурний компонент мембрани Схематичне зображення рухового апарату бактерій Нем'язові види рухливості клітин Дякую за увагу
