17.4.4. Типы сокращения скелетных мышц позвоночных
В ответ на стимуляцию мышца совершает механическую работу (т.е. сокращается), и это может привести либо к укорочению мышцы, либо — если оба конца мышцы неподвижно закреплены — к тому, что мышца будет развивать напряжение без изменения ее длины. Когда мышца, преодолевая постоянную нагрузку, укорачивается, такое сокращение называют изотоническим, а если при сокращении мышцы не происходит изменения ее длины, его называют изометрическим.
Мышечное сокращение можно изучать с помощью кимографа. Такого рода исследования часто проводят на икроножной мышце лягушки. Мышцу выделяют из лапки только что забитой лягушки и помещают в ванночку с хорошо оксигенируемым физиологическим раствором. В этих условиях мышца в течение нескольких часов сохраняет способность адекватно реагировать на раздражение. Один конец мышцы неподвижно закрепляют на кронштейне, а другой — с сухожилием — прицепляют к подвижному рычагу. Затем раздражают электрическим током непосредственно мышцу или подходящий к ней нерв. Когда мышца сокращается или в ней возрастает напряжение, она смещает рычаг, и след от этого смещения регистрируется на вращающемся барабане кимографа. Полученная запись таких событий называется миограммой. Напряжение, возникающее в мышце, — это некоторая сила, обычно измеряемая в граммах.
17.4.5. Сократительная реакция
Одиночное раздражение. При воздействии одиночного стимула мышца начинает сокращаться спустя очень короткое время (около 0,05 с), называемое латентным периодом. Затем мышца быстро укорачивается, в ней развивается напряжение. Эта фаза сокращения длится около 0,1 с. Вслед за ней наступает более долгий период расслабления, когда напряжение уменьшается и мышца возвращается в исходное состояние; это занимает 0,2 с. Такое сокращение мышцы называется одиночным сокращением (рис. 17.20).
Рис. 17.20. Одиночное сокращение икроножной мышцы лягушки
Двукратное раздражение. Если интервал между первой и второй стимуляцией значителен, миограмма регистрирует два одинаковых ответа мышцы. Однако если отрезок времени между двумя стимулами укорачивается настолько, что второй из них подается в тот момент, когда мышца еще сокращается после первого, то второе сокращение накладывается на первое. В результате получается "бугристая" миограмма (рис. 17.21). При втором сокращении развивается большее в сравнении с первым напряжение. Этот эффект называется механической суммацией.
Рис. 17.21. Записи сокращений икроножной мышцы лягушки на кимографе. А. Одиночное сокращение при однократном раздражении. Б-Г. Механическая суммация, происходящая при повышении частоты раздражения
Ритмическое раздражение. С увеличением частоты стимуляции неровности на миограмме постепенно сглаживаются (рис. 17.22) и отдельные сокращения сливаются (суммируются). В этом случае вычерчивается плавная линия, которая, поднимаясь, достигает определенного уровня (плато) и относительно долго остается на этом уровне. О такой мышце говорят, что она находится в состоянии тетануса. Напряжение в мышце при тетанусе в стадии плато — максимально возможное для данной мышцы. Тетаническое сокращение не может длиться неопределенно долго, так как мышца подвержена утомлению.
Рис. 17.22. Миограмма, отражающая развитие тетануса в икроножной мышце лягушки. А. 'Зубчатый' тетанус при 8 электрических стимулах за 0,5 с. Б. 'Гладкий' тетанус при 18 стимулах за 0,5 с
17.4.6. Теория скользящих нитей
В 1954 г. две группы исследователей-X. Хаксли с Дж. Хэнсон и А. Хаксли с Р. Нидергерке, сформулировали теорию, объясняющую мышечное сокращение скольжением нитей. Независимо друг от друга они обнаружили, что длина[2] диска А оставалась постоянной в расслабленном и укороченном саркомере. Это позволило предположить, что есть два набора нитей — актиновые и миозиновые, причем одни входят в промежутки между другими, и при изменении длины саркомера эти нити каким-то образом скользят друг по другу. Как показали наблюдения, во время сокращения актиновые нити сдвигаются по направлению к середине саркомера (рис. 17.23). Возникла гипотеза, что головки миозиновых нитей служат как бы "крючками" и, прикрепляясь к F-актину, образуют поперечные мостики, а затем их конфигурация изменяется таким образом, что молекулы актина втягиваются внутрь диска А. По окончании этого процесса миозиновые головки отделяются от актина и "прицепляются" к другим, более отдаленным участкам актиновой нити. Саркомер способен укорачиваться на 30% своей длины. Цикл присоединения и отделения поперечных мостиков может повторяться многократно с различной частотой в зависимости от скорости укорочения. Необходимую для этого энергию доставляет расщепление АТФ; для осуществления полного цикла одного мостика требуется одна молекула АТФ.