Раздел медицины:
Сердечно-сосудистая хирургия

Клеточный механизм сопряжения процессов возбуждения-сокращения-расслабления

6416 0

Сопряжение возбуждения с сокращением и расслаблением представляет комплекс процессов, связывающих электрическую деполяризацию на сарколемме и СПР с механическими событиями в миофибриллах, при этом необходимым компонентом является Са. Под действием электрического стимула или волны деполяризации происходят конформационные изменения белковых структур сарколеммы, приводящие к увеличению ее проницаемости, т.е. открытию каналов, через которые по концентрационному градиенту происходит перемещение ионов К+, Na+ и Са++. В результате поступления Na+ в клетку и выхода К+ из клетки формируется трансмембранный потенциал действия, который, в свою очередь, также оказывает влияние на Са-каналы, открывая их. С помощью биолюминесцентной техники (акворин) было показано два входа Са++ в клетку: быстрый, связанный с 0-фазой потенциала действия; и медленный, соответствующий плато потенциала действия и времени развиваемого напряжения [R.I. Solaro, 1982;]. Однако это увеличение концентрации свободного Са" в саркоплазме недостаточно для включения механизма сокращения. Входящий через сарколемму Са++ играет триггерную роль в высвобождении внутриклеточного Са++: 1) находящегося в концевых цистернах продольных каналов СПР, 2) в митохондриях и 3) связанного с саркоплазматическими протеинами, в частности с калмодулином. Высвобождению Са++ из концевых цистерн СПР также способствует волна деполяризации, распространяющаяся через Т-тубулы на продольные канальцы через систему триад. Триггерное увеличение концентрации свободного кальция в цитоплазме до 10-6-10-5 моль/л дает возможность последнему вступать в соединение с ТнС. Взаимодействие Са++ с ТнС ведет к пространственной перестройкетропонинового комплекса и в связи сэтим – к перемещению Тм таким образом, что открываются активные места на актиновых протофибриллах, то есть, снимается ингибирующая роль Тм в образовании актино-миозиновых мостиков. После присоединения миозиновой головки к актину происходит втягивание гексагональных структур актиновых протофибрилл к центру саркомера между миозиновыми протофибриллами за счет «гребущего» движения головок миозина.

Образование актино-миозиновых мостиков происходит в присутствии комплекса Мg++ - АТФ. «Гребущие» движения головок миозина преобразуют химическую энергию концевой фосфатной связи, гидролизуемой АТФ, в механическую. Гидролиз АТФ осуществляется АТФазой головок миозина в присутствии Мg++. Затем, в результате активного удаления Са++ из саркоплазмы кальциевым насосом СПР и снижения его концентрации, происходит отщепление Са++ от Тн и перемещение Тм с восстановлением его блокирующей функции на актино-миозиновые мостики. Развивается релаксация кардиомиоцитов (диастолическое расслабление).

Процессы сокращения и расслабления

Взаимодействие актиновых и миозиновых протофибрилл, приводящее к сокращению кардиомиоцита, представляет ряд последовательно координированных конформационных превращений сократительных белков под действием Са++ и Мg++, катализируемых реакций фосфорилирования. Эти превращения осуществляются как в области тропонинового комплекса на актиновых миофиламентах, так и в области головок миозиновых миофиламентов.

На рисунке 1 представлена схема взаимодействий тропонинового комплекса с тропомиозином в результате присоединения Са++ к кальцийспецифическим местам ТнС и изменения взаимодействия между ТнС, ТнI и ТнТ, что приводит к открытию активных мест актиновых протофибрилл, способных вступать в реакцию с головками миозиновых протофибрилл. Во время диастолы концентрация свободного Са++ в саркоплазме ниже порога связывания с кальцийспецифическим местом ТнС (кальцийсвязующий компонент тропонина), а кальций - магниевые места заняты обоими или одним из этих катионов. Наличие кальций - магниевых мест в ТнС, по-видимому, является регулятором силовой компоненты сокращения кардиомиоцита: преобладание Са++ ведет к усилению связи актин - миозин, преобладание Мg++ ослабляет эту связь. В этих условиях ТнI (ингибиторный компонент тропонина) прочно связан с актином и удерживает тропомиозин в позиции, блокирующей реакцию головок миозина с активными местами актина. При значительном увеличении концентрации свободного Са++ в саркоплазме происходит его связывание с кальцийспецифическими местами ТнС. Это интенсифицирует афинитет ТнС к ТнI, ослабляет связь последнего с актином и позволяет перемещаться тропомиозину в позицию, не препятствующую взаимодействию актина с миозином. Прочность связи Са++ в кальцийзависимых местах ТнС, определяющая афинитет последнего к ТнI, контролируется фосфорилированием ТнI. В свою очередь, фосфорилирование ТнI интенсифицируется активностью цАМФ-зависимой протеинкиназой, а дефосфорилирование - фосфатазой. Следует отметить, что по этой схеме интенсивность взаимодействия между ТнI и ТнТ (связующий компонент тропонина с тропомиозином), а также ТнТ и Тм не является кальцийзависимой.

Гипотетическая схема участия Са++ и Мg++

Рис. 1. Гипотетическая схема участия Са++ и Мg++ в регуляции взаимодействия актиновых и миозиновых миофибрилл через активацию тропониновых белков актина.

В области головок миозиновых миофиламентов имеются две разновидности легких цепочек. Одна из них способна подвергаться фосфорилированию под действием специфической протеинкиназы - киназы легкой цепочки миозина. Обладая свойствами фосфорилирования, что дало ей название Р-легкая цепочка, она принимает участие в регуляции актино-миозинового взаимодействия через активацию АТФазы актомиозина. Схема фосфорилирования Р-легкой цепочки миозина включает катализ киназой легкой цепочки миозина, активность которой определяется Са++ и кальцийсвязующим белком - калмодулином (КМ). Для запуска этого процесса необходимы следующие превращения:

1) 4 иона Са++ присоединяются к кал-модулину и образуют комплекс 4Са++ - КМ;

2) комплекс 4Са++ - КМ присоединяется к неактивной киназе легкой цепочки миозина (КЛЦМнеакт.) и образует активный комплекс 4Са++ - КМ - КЛЦМакт;

3) этот комплекс катализирует перенос фосфата из Mg++ - АТР к Р-легкой цепочке миозина (рис. 2). Обратный процесс - дефосфорилирование Р-легкой цепочки миозина, катализируется фосфатазой легкой цепочки миозина.

Схема последовательности этапов фосфорилирования головки миозина

Рис. 2. Схема последовательности этапов фосфорилирования головки миозина в процессе ее «гребущего» движения.

Головка миозина обладает АТР-азной активностью, которая осуществляет гидролиз АТФ в присутствии Мg++, т.е. отщепление концевого фосфата и высвобождение энергии. Активация АТФ-азы миозина находится под контролем фосфорилированной легкой цепочки миозина. В настоящее время не известен молекулярный механизм трансформации энергии концевой фосфатной связи в механическое, «гребущее» движение головок миозина. Имеются сведения о прямом влиянии Са++ на движение головок миозина во время актино-миозинового взаимодействия. В момент присоединения к деблокированным местам актина головки миозина располагаются под прямым углом к тонким и толстым протофибриллам. Затем происходит перемещение головок миозина до образования острого угла («гребущее» движение головки) с втягиванием актиновой нити между миозиновыми протофибриллами, в результате осуществляется укорочение саркомера. Таким образом, в процессе сокращения длина миозиновых и актиновых протофибрилл не меняется, они смещаются относительно друг друга, и поэтому сам механизм получил название скользящей модели сокращения [Ф.З. Меерсон, 1982].

Активный процесс завершается снижением концентрации свободного Са++ в саркоплазме под действием Са-насоса продольного СПР. В результате снижения концентрации свободного Са++ в саркоплазме происходит высвобождение Са++ из кальцийспецифических мест ТнС, что влечет возвращение Тн - комплекса и Тм в исходную позицию, т.е. закрытие активных центров актиновых протофибрилл. Одновременно под действием фосфатазы легкой миозиновой цепочки головки миозина происходят дефосфорилирование Р-легкой миозиновой цепочки и деактивация АТФазы актомиозина. В результате этих двух процессов:

а) блокирования активных центров ак-тиновых протофибрилл;

б) деактивации АТФазы миозиновых головок - осуществляется устранение актино-миозиновых мостиков и развитие релаксации кардиомиоцита. На процесс релаксации кардиомиоцита оказывает действие фосфорилирование ТнI, снижающее чувствительность кальцийспецифических мест ТнСкСа++, и какследствие этого - снижение взаимного афинитета ТнС и ТнI, что устраняет взаимодействие Тн и Тм с перемещением последнего в позицию, блокирующую активные центры актина.

Фосфорилирование ТнI регулируется сАМР-зависимой протеинкиназой, активность которой определяется уровнем сАМР в саркоплазме, изменяемым стимуляцией адренергических рецепторов (в частности, в-адренергических рецепторов) [R.I. Solaro, 1982].

Оба процесса - образование и ликвидация актино-миозиновых мостиков - в нормальных условиях обеспечиваются энергией гидролиза АТА и ее последующей доставкой. При гипоксии миокарда дефицит АТА в сократительном аппарате затрудняет отсоединение головок миозина от центров актина, нарушается процесс релаксации и развиваются явления контрактуры - незавершенная диастола [Ф.З. Меерсон, 1982].

Из современного представления о реализации цикла сокращения и расслабления, а также из анализа биохимических и физиологических данных следует, что в физиологических условиях сокращение сердечной мышцы не является максимальным, так как

1) во время систолы Са++ образует комплексы не со всеми молекулами Тн и соответственно многие активные центры актина остаются закрытыми;

2) не все головки миозина присоединяются к открытым центрам актина;

3) интенсивность «гребущего» движения присоединившихся головок неравномерна;

4) во время диастолы могут сохраняться так называемые остаточные поперечные мостики [Ф.З. Меерсон, 1982].

Это является резервом увеличения силы и амплитуды сокращения сердца, детерминированного на уровне миофибрилл. Скоростная компонента сокращения и расслабления контролируется темпом фосфорилирования и дефосфорилирования систем, определяющих движение кальция:

1) кальциевый насос продольного СПР;

2) сродство протофибрилл к Са++ - уровнем цАМФ, определяемым активностью рецепторов сарколеммы.

Синтез циклических нуклеотидов в саркоплазме схематично представлен на рис. 3. Он включает ряд следующих этапов: молекула гормона (Г) связывается со специфическим рецептором (Р), расположенным на наружной стороне мембраны, затем это соединение (Г+Р) диффундирует в мембране и при столкновении с молекулой аденилатциклазы (АЦ) связывается и дефосфорилирует ее, в результате чего фермент АЦ приобретает высокую активность. Активизированная АЦ (Г+Р+АЦ+Ф) катализирует образование цАМФ из АТФ [СЕ. Северин, М.Н. Кочеткова, 1985]. Уровень цАМФ также контролируется гидролизом цАМФ до АМФ с помощью фермента фосфодиэстеразы. Активность аденилатциклазы и фосфодиэстеразы повышается в присутствии Са++ в одинаковой степени [С.Е. Северин, 1985], что сохраняет синтез и распад цАМФ на постоянном (повышенном или пониженном) уровне.

Схема синтеза циклических нуклеотидов

Рис. 3. Схема синтеза циклических нуклеотидов (А) с внутриклеточной кинетикой Са++ (Б)

Регуляция содержания цАМФ в саркоплазме представлена на схеме (см. рис. 9). Согласно этой схеме, повышение содержания гормонов в крови (катехоламины, глюкагон, гистамин и т.д.) ведет к активации взаимодействия рецепторов сарколеммы с аденилатциклазой и к повышению скорости синтеза цАМФ. Повышенное содержание цАМФ усиливает фосфорилирование сарколеммы, и вход Са++ внутрь клетки возрастает. Ионы Са++ связываются с калмодулином, локализованным в мембране, и это соединение взаимодействует с аденилат-циклазой, как бы переключая аденилатциклазную систему на цитоплазматические факторы. Одновременно Са++, входящий в кардиомиоцит, взаимодействует с калмодулином саркоплазмы, который активирует фосфодиэстеразу. Таким образом, вхождение Са++ внутрь миокардиальной клетки стабилизирует уровень цАМФ и делает нечувствительным аденилатциклазную систему к факторам наружной среды. В дальнейшем, при удалении Са++ из саркоплазмы (СПР, сарколемма, митохондрии), нарушается связь ферментов метаболизма цАМФ с системой Са-калмодулин, аденилатциклаза становится способной вновь отвечать на воздействие гормонов.

Движение Са++ через мембрану и его перемещение внутри клетки

Кинетика Са++ внутри клетки определяется тремя мембранными системами: сарколеммой, саркоплазматическим ретикулумом и митохондриями. Вхождение Са++ в клетку осуществляется через потенциалзависимые каналы, рецепторно-оперативные каналы и путем обычного просачивания через мембрану (рис. 4).

Схема кинетики Са++ в кардиомиоците

Рис. 4. Схема кинетики Са++ в кардиомиоците.

Различают три вида потенциалзависимых каналов:

1) спайк-потенциалзависимые каналы, которые открываются и закрываются быстро во время спайка потенциала действия;

2) быстрые градиент-деполяризационно-зависимые каналы;

3) медленные градиент-деполяризационно-зависимые каналы, которые открыты во время всей фазы деполяризации.

Степень открытия второго и третьего каналов зависит от градиента деполяризации.

В настоящее время мало данных относительно рецепторно-оперативных каналов, однако имеются сведения, что их открытие контролируется адренергической стимуляцией.

Гипотетическая схема каналов приводится на рис. 5. Канал представляется как мембранная пора, содержащая на входе отрицательно заряженные места, величина и плотность заряда действуют как «селективный фильтр» для различных катионов, внутри имеются вольтажчувствительные образования (сенсоры), определяющие открытие и закрытие канала на всем протяжении в зависимости от знака вольтажа (положительный или отрицательный), на выходе - ворота канала [D.J. Triggle, 1982]. Отрицательные заряды на наружной и внутренней поверхностях мембраны играют роль мест связывания катионов, формируют трансмембранный потенциал и модулируют вольтажно - сенсорный компонент каналов.

Гипотетическая схема строения ионных каналов

Рис. 5. Гипотетическая схема строения ионных каналов.

Входящий в клетку Са++ играет триггерную роль в высвобождении внутриклеточного Са++, содержащегося в цистернах СПР, в митохондриях и связанного с различными саркоплазматическими протеинами (в частности, с калмодулином), и, следовательно, оказывает влияние на количественный уровень Са++ во внутриклеточных хранилищах. Последнее предположение объясняет появление положительного инотропного эффекта через несколько сокращений при увеличении длительности потенциала действия желудочков. После триггерного увеличения свободного саркоплазматического Са++ развивается процесс сокращения саркомера. Процесс релаксации кардиомиоцита нуждается в быстром удалении Са++ из саркоплазмы со скоростью приблизительно 25 мкмоль Са на 1 кг сердца за 20 мс. С этой задачей в основном справляется продольный СПР посредством кальциевого насоса и транспортных белков, перемещающих Са++ вдоль просвета канала СПР к концевым цистернам. Другой путь удаления Са++ из саркоплазмы - через сарколемму, посредством кальциевого насоса, стимулируемого Са-зависимой АТРазой. Энергия для работы этого насоса генерируется трансмембранным градиентом Na+; чем больше градиент Na+, тем выше скорость выведения Са++ и наоборот. Это объясняет положительный инотропный эффект дигиталисных препаратов, ингибирующих Na-K - насос: при увеличении концентрации внутриклеточного Na+ уменьшается трансмембранный градиент последнего, что снижает темп выведения Са++ и увеличивает его внутриклеточное содержание. Третий путь удаления Са++ из саркоплазмы - связывание Са++ с плазменными белками и белками, расположенными на внутренней поверхности мембраны.

Активную роль в удалении Са++ играют митохондрии, но их деятельность в процессах релаксации ограничивается низкой скоростью захвата Са++. Основная роль митохондрии - накопительная, с последующим высвобождением Са2+ для достижения инотропного эффекта. Однако активный транспорт Са++ и оксидативное фосфорилирование, определяющее синтез АТФ, являются взаимоисключающими процессами. Кроме того, перегрузка митохондрий кальцием ведет к их структурному и функциональному изменениям [R.l. Solaro. 1982]. Схема кинетики Са++ в кардиомиоците представлена на рис. 4.

Большое участие в регуляции кинетики Са++ принимает Мg++ - природно-физиологичный антагонист кальция [I.K. Aikawa, 1981]. Внутри мышечной клетки Мg++ проявляет следующие свойства:

1) ингибирует триггерное высвобождение Са++, вызванное поступлением внутрь клетки экстрацеллюлярного кальция;

2) активизирует возврат Са++ в СПР стимуляцией Са-АТРазы;

3) конкурирует с Са++ в связующих местах ТнС и миозина;

4) распределяется в митохондриях и регулирует количество цитозольного Мg++ для специфического взаимодействия с цитозольным Са++;

5) уменьшает развитие мышечного напряжения (Т) согласно формуле:

Мышечное напряжение

где [Са]0 и [Mg]0 - зкстрацеллюлярная концентрация [Shine, 1979].

Суммируя вышеизложенное, этапность событий в кардиомиоците упрощенно можно представить следующим образом. Во время деполяризации клетки Са++ через быстрые и медленные потенциалзависимые кальциевые каналы поступает в клетку. Но это всего лишь малая часть кальция, необходимого для активации миофибрилл. Поступающий в клетку Са++ играет триггерную роль в высвобождении внутриклеточного Са2+, в основном из цистерн СПР. Достигнув критического уровня концентрации в саркоплазме, свободный Са++ связывается с кальцийспецифическими местами ТнС, вызывает серию взаимодействий белок - белок, в результате чего становится возможным формирование поперечных мостиков актин - миозин, генерирование силы сокращения и укорочение клетки.

Удаление Са++ из саркоплазмы осуществляется СПР за счет энергии, вырабатываемой Са-стимулируемой АТРазой, в присутствии Мд++, а также экстракцией Са++ через сарколемму за счет энергии, образованной трансмембранным Na+-градиентом и Са-АТРазой. Падение концентрации свободного Са++ в саркоплазме обусловливает высвобождение его из связи с ТнС и устраняет миофибриллярное напряжение. Процессы релаксации лимитированы временем устранения взаимодействий протеин - протеин, ликвидации поперечных мостиков актин-миозина и возвращения актиновых протофибрилл в состояние покоя. В обычных условиях митохондрии играют незначительную роль в транспорте Са++ внутри клетки и выполняют накопительную роль при значительном увеличении внутриклеточного Са++.

Время мембранной и миофибриллярной активации модулируется фосфорилированием и дефосфорилированием протеинов, находящихся под контролем киназ. Киназы активируются системой Са-калмодулин и метаболизмом цАМФ. Фосфорилирование протеинов сарколеммы увеличивает поток Са++ через каналы, а фосфорилирование фосфоламбана повышает скорость транспорта Са++ в просвет СПР. При фосфорилировании ТнI возрастает скорость обмена Са++ с ТнС. Таким образом происходит регуляция инотропных и хронотропных ответов сердца на стимуляцию катехоламинами.

Инфаркт миокарда. А.М. Шилов

Похожие статьи
показать еще
 
Категории