Гладкая мускулатура

Особенности структуры. Гладкая мускулатура представлена практически во всех тканях и органах: сосуды, воздухоносные пути, желудочно-кишечный тракт, мочеполовая система и т.д.

Основной структурной единицей гладких мышц является гладкомышечная клетка (ГМК), имеющая обычно удлиненную веретенообразную форму. ГМК располагаются параллельно и последовательно, образуя мышечные пучки или тяжи, и мышечные слои. Их размеры зависят от вида и функционального состояния гладкой мышцы: 20-500 мкм в длину и 5 – 20 мкм в толщину в средней части клетки.

Снаружи ГМК покрыта сарколеммой, состоящей, как и у других мыщц, из плазматической и базальной мембраны. Под электронным микроскопом в плазматической мембране видны своеобразные впячивания, колбовидной формы, так называемые кавеолы и электронноплотные участки. Некоторые исследователи считают, что эти тяжи являются местом прикрепления актиновых протофибрилл.

Хотя большая часть поверхности одной мышечной клетки отделена от соседних мышечных клеток пространством в 100 нм и более (межклеточное пространство), которое заполнено коллагеновыми и эластиновыми волокнами, фибробластами, капиллярами и др., для ГМК характерны и другие виды взаимодействия:

1. Нексусы: щель между контактирующими мембранами соседних клеток очень узка – 2 – 3 нм, в мембранах нексусов контактирующих клеток обнаруживаются кластерные образования и внутримембранные частицы размером 9 нм. Полагают, что эти частицы представляют собой межклеточные ионные каналы.

2. Десмосомоподобная связь. В областях этих контактов обнаруживается наличие участков электронно-плотного вещества. В висцеральных мышцах ширина щели между контактирующими мембранами при этом типе контактов может достигать 20 – 60 нм. Полагают, что этот вид контактов служит в основном для механического соединения клеток.

3. Третий тип связи между клетками – это связь с помощью отростков, которыми одна клетка входит в соответствующее углубление другой. Ширина щели между мембранами соседних клеток в этом случае 10 – 20 нм. Полагают, что эти связи важны для передачи механической силы между клетками.

Пассивные электрические свойства гладких мышц

Гладкомышечная ткань, несмотря на дискретность с морфологической точки зрения, является функциональным синцитием, в котором плазматические мембраны многих мышечных клеток представляют собой как бы единую непрерывную мембрану одной большой мышечной клетки. Поэтому, основные показатели ГМК можно сравнить с кабельным свойствами аксона:

1. постоянная времени (λ) 100-300 мс и постоянная длины (τ) 1-3 мм;

2. сопротивление и емкость мембраны 0,6 -2,9 ГОм и 30 – 40 пкФ, соответственно;

3. удельное сопротивление и емкость мембраны 10–50 кОм/см² и 1,3-3 мкФ/см², соответственно;

4. удельное сопротивление миоплазмы порядка 250 Ом/см.

Потенциал покоя (ПП) различных ГМК находится в пределах от –50 до –60 мВ. В его образовании участвуют главным образом ионы K⁺, Na⁺ и Cl^-. Особенностью ионного состава ГМК является большая внутриклеточная концентрация ионов хлора и натрия.

Тот факт, что величина ПП ГМК значительно отличается от равновесного калиевого потенциала (-55 мВ для ГМК taenia coli, тогда как Е_к=-90 мВ), объясняется в первую очередь тем, что мембрана ГМК обладает так же относительно высокой проницаемостью для ионов натрия и хлора. Соотношение проницаемости мембраны ГМК для этих ионов равно: P_K:P_Na:P_Cl=1:0,16:0,61. Расчеты величины ПП по формуле Гольдмана-Ходжкина-Катца с учетом этих проницаемостей и потенциалов равновесия для соответствующих ионов (E_K=-89 мВ; E_Na=+62 мВ; E_Cl=-22 мВ) дали величину потенциала покоя равную только –37 мВ. Таким образом, измеренная величина ПП оказалась почти на 20 мВ выше расчетной.

Роль ионов кальция в этом мала, так как они обладают низкой проницаемостью через мембрану ГМК, однако они существенно влияют на проницаемость мембраны к другим ионам и, в частности к ионам Na⁺. Удаление ионов кальция из омывающего раствора сопровождается деполяризацией клеток и существенным уменьшением сопротивления мембраны.

Другой причиной этого расхождения может быть участие в образовании ПП электрогенного компонента натриевого насоса, однако ток, генерируемый натриевым насосом, может создавать потенциал лишь около 5 мВ. Еще одной причиной расхождения между расчетными и теоретическими значениями ПП может быть высокая внутриклеточная концентрации ионов хлора.

Потенциал действия (ПД) гладких мышц позволяет разделить их по способности его генерировать в ответ на пороговую и сверхпороговую стимуляцию на:

1. Фазные – быстро сокращающиеся мышцы, способны генерировать ПД, имеют относительно высокую скорость укорочения и часто обладают спонтанной электрической и сократительной активностью. Их ответ на деполяризацию мембраны является относительно быстрым, но носит транзиторный характер. Примером является: ГМК пищеварительного тракта, матки, мочевыводящих путей, воротной вены.

2. Тонические гладкие мышцы, как правило, отвечают на стимуляцию агонистом градуальной деполяризацией, не генерируют ПД и спонтанную сократительную активности, имеют низкую скорость укорочения, но могут эффективно поддерживать сокращенное (тоническое) состояние в течение продолжительного времени.

ПД различных ГМК имеют форму от простых спайковых потенциалов длительностью 20 – 50 мс (миометрий, воротная вена, кишка), до сложных – с плато и осцилляциями на них, длительностью до 1 сек и больше (мочеточник, антральная часть желудка).

Особенностью электрогенеза ГМК является то, что главную роль в генерации ПД играют ионы Ca²⁺. Эти ионы ответственны за генерацию деполяризующего входящего тока, который состоит из двух компонентов: 1. начального инактивирующегося – достигнув своего максимума, он не держится на постоянном уровне, а медленно уменьшается;

2. последующего неинактивирующегося, который не инактивируется при больших деполяризующих смещениях мембранного потенциала.

Инактивация входящего кальциевого тока зависит не столько от величины мембранного потенциала, сколько от концентрации ионов кальция внутри гладкомышечной клетки. Функциональное значение этого явления состоит, по-видимому, в том, что ионы кальция, входящие в ГМК, через отрицательную обратную связь регулируют интенсивность их возбуждения, а следовательно, и поступление в клетку самих ионов кальция.

Ионы калия, ответственные за генерацию выходящего гиперполяризующего тока, так же оказывают влияние на амплитуду и продолжительность ПД в зависимости от концентрации ионов кальция внутри ГМК. Хотя калиевый ток продолжает увеличиваться и при всех возрастающих положительных смещениях мембранного потенциала.

Все воздействия, ведущие к угнетению калиевой проводимости, способствуют возникновению ПД в тех ГМК, которые в исходном состоянии не способны генерировать ПД. Это объясняет отсутствие ПД в тонических мышцах. В нормальных условиях мембрана этих ГМК обладает большой калиевой проводимостью мембраны, препятствующая развитию регенеративной деполяризации.

ПД ГМК, состоящие из начального быстрого пикового компонента и последующего плато, имеют более сложную ионную природу. Например, в ГМК мочеточника начальный пиковый компонент имеет преимущественно кальциевую природу, тогда как последующий медленный компонент плато – преимущественно натриевую.

Спонтанная активность гладких мышц, имеющая миогенную природу, имеет два основных типа:

1. Повторно возникающие ПД различной частоты и степени регулярности, не сопровождающиеся длительной стойкой деполяризацией ГМК. В основе лежит способность определенной группы ГМК генерировать так называемые генераторные потенциалы (предпотенциалы). Они обнаруживаются при внутриклеточном микроэлектродном отведении в виде небольшой медленной деполяризации, которая достигнув порога возбуждения переходит в быстро нарастающую фазу деполяризации ПД.

2. Медленные волны деполяризации могут быть различными по форме, амплитуде (10 – 30 мВ), продолжительности (2 – 10 с), частоте (1 – 18 колебаний в минуту), скорости распространения (до 8 см/сек). Предполагается, что эти волны первично возникают в особых пейсмекерных мышечных клетках. Когда медленная волна достигает порога возбуждения, могут возникать потенциалы действия, частота которых зависит от амплитуды волны.

Особенности сократительного аппарата ГМК обусловлена следующим:

1. Отсутствием Т-системы;

2. Незначительным объемом СПР (2 – 7 % объема цитоплазмы).

Сократительный аппарат ГМК представлен миозиновыми и актиновыми протофибриллами, а так же рядом регуляторных белков: киназой легких цепей миозина, фосфатазой легких цепей миозина, тропомиозином, кальдесмоном, кальпонином. Соотношение актиновых и миозиновых нитей в ГМК колеблется от 1:5 до 1:27, что заметно больше чем в скелетных.

Молекула гладкомышечного миозина состоит из двух тяжелых цепей и двух пар легких цепей – регуляторных с массой 20 кДа (РЛЦ) и существенных с массой 17 кДа (ЛЦ).

Миозин ГМК отличается от миозина скелетных мышц размером (толщина 12–15 нм, длина 2,2 мкм), формой, аминокислотным составом, растворимостью, чувствительностью к ферментам, солям и денатурации, более низкой (в 10 раз) АТФ-азной активностью.

Актиновые протофибриллы ГМ почти не отличаются от исчерченных. Они имеют простую удлиненную форму, диаметр их 6 – 8 нм. На поперечном срезе актиновые протофибриллы имеют круглую форму. Иногда обнаруживается гесагональное расположение тонких протофибрилл относительно толстых, как и в исчерченных мышечных волокнах.

В состав актиновых протофибрилл ГМК входят актин, тропомиозин и кальдесмон. Из тропомиозина ГМК выделен белок леотонин, который, по- видимому, выполняет функции аналогичные тропонину С скелетных мышц. Актиновые протофибриллы содержат так же ряд дополнительных минорных и модулирующих белков: филамин и винкулин, которые участвуют в прикреплении тонких протофибрилл к плотным тельцам мембраны, а, кроме того, участвуют в активации актомиозиновой АТФазы и в ряде других процессов.

В ГМК, помимо миозиновых и актиновых протофибрилл имеются так называемые промежуточные протофибриллы, которые образуют своеобразную внутриклеточную сеть и связывают между собой плотные тельца плазматической мембраны и миоплазмы.

Предполагается, что актиновые и миозиновые протофибриллы объединены в миофибриллы, простирающиеся на относительно небольшое расстояние под углом к длинной оси мышечной клетки. Своими концами миофибриллы прикреплены к плотным тельцам плазматической мембраны (в состав которых входит белок α-актин), являющимися аналогами z-пластинок скелетных мышечных волокон.

Киназа легких цепей миозина – фермент, содержащий:

А) каталитический домен, в котором находятся участки связывания АТФ и регуляторных легких цепей миозина.

Б) регуляторный домен, содержащий участок связывания комплекса кальций-кальмодулин.

В) автоингибиторную псевдосубстратную последовательность, которая в отсутствии комплекса кальций-кальмодулин взаимодействует с каталитическим центром и блокирует фосфотрансферазную реакцию.

Фосфатаза легких цепей миозина – это фермент, относящийся к фосфатазам 1 типа, состоит из каталитической и регуляторной субъединиц.

Тропомиозин в ГМК содержится в количестве 1:14 по отношению к актомиозину, он препятствует взаимодействию миозина с актином.

Кальдесмон – регуляторный белок, связан с филаментами актина, расположен непосредственно вдоль тропомиозина в канавке, формируемой гантелеобразными молекулами актина. Функция кальдесмона заключается в удержании тропомиозина в положении, препятствующем взаимодействию миозина с активным центром актина, а так же препятствии продвижения филаментов актина по миозину.

Кальпонин – актин- и кальмодулин-связывающий белок, относительно специфичный для гладкой мускулатуры. Предполагается, что кальпонин участвует в кальций-зависимой регуляции сокращения, а его прямое фосфорилирование протеинкиназой С вносит вклад в повышение кальциевой чувствительности ГМ. Он расположен на актиновых филаментах, ингибирует АТФ-азу актомиозина и подвижность актиновых филаментов вдлоь миозина.

Электромеханическое сопряжение в ГМК представляет цепь событий, ведущих к активации сокращения. Как и в скелетных мышцах, запускается увеличением концентрации ионизированного кальция в миоплазме выше10^{-7 М. Максимальное сокращение ГМК наблюдается при концентрации -10-5 М.}

Особенности. Так как при удалении ионов Са²⁺ из внешней среды или добавлении блокаторов кальциевого тока угнеталась как электрическая так и сократительная активность ГМК, значит развитие сопряжения возбуждения-сокращения обеспечивается внеклеточными ионами Са²⁺, участвующими в генерации ПД.

Основные пути поступления ионов кальция в ГМК:

1.Кальциевые каналы плазматической мембраны:

А. Потенциал-зависимые инактивирующиеся кальциевые каналы, ответственные за генерацию потенциалов действия.

Б. Потенциал-зависимые неинактивирующиеся кальциевые каналы, обеспечивающие станционарный ток ионов кальция через деполяризованную мембрану.

В. Хемочувствительные (рецептор-управляемые) кальциевые каналы, открывающиеся при активации мембранных рецепторов.

2. Немитохондриальное депо:

А.Саркоплазматических ретикулум (СПР).

Б.Примембранные слои.

В.Внутриклеточные везикулы-кальцисомы.

Основные пути удаления ионов кальция из ГМК:

1. Кальциевые насосы плазматической мембраны и СПР.

2. Натрий-кальциевый обмен.

Молекулярные механизмы сокращения ГМК.

Основным акцептором Са²⁺ в цитоплазме ГМК является кальмодулин, который после связывания 4 ионов кальция взаимодействует с регуляторными белками – киназой легких цепей миозина и кальдесмоном. Активированная таким образом киназа легких цепей миозина фосфорилирует регуляторные легкие цепи миозина и тем самым активирует Mg²⁺-зависимую АТФ-азу миозина, тем самым, осуществляя сокращение актин-зависимым способом.

Однако в покоящейся мышце участки взаимодействия с миозином экранированы лежащим вдоль актинового тяжа комплексом тропомиозина с кальдесмоном. Поэтому вторым необходимым условием активации актомиозина является такое изменение конформации кальдесмона, которое, по все видимости, освобождает тропомиозин, следствием чего является экспонирование миозин-связывающих участков на актине. Это происходит при взаимодействии кальдесмона с комплексом кальций-кальмодулин, или сходным с ним другим кальций-связывающим белком.

Таким образом, развитие сокращения гладких мышц требует одновременной активации как миозина путем его прямого фосфорилирования, так и актина путем устранения ингибирующего действия кальдесмона. То есть при высокой степени активации миозина кальдесмон может лишь тормозить, но не способен полностью блокировать его кооперативное связывание с актином.

Снижение внутриклеточной концентрации кальция сопровождается диссоциацией комплексов кальмодулина с киназой легких цепей миозина и кальдесмоном, ее инактивацией и восстановлением ингибирующего действия кальдесмона. Последующее дефосфорилирование легких цепей миозина специфичной, кальций-независимой фосфотазой легких цепей миозина и переход тонких филаментов в неактивное состояние определяет расслабление ГМК. Как и в случае активации сокращения, основным условием релаксации является дефосфорилиривание миозина, тогда как кальдесмон-зависимая инактивация тонких филаментов может ускорять расслабление.

Однако хорошо известно, что сила сокращения ГМК не всегда прямо пропорциональна внутриклеточной концентрации ионов кальция. Изменяя чувствительность сократительного аппарата ГМК к ионам кальция при его фактическом постоянстве, можно как бы модулировать изменения внутриклеточного уровня кальция. В настоящее время рассматриваются несколько механизмов, обеспечивающих увеличение кальциевой чувствительности сократительного аппарата.

1. Механизм связанный с активацией протеинкиназы С диацилглицеролом. Мишенями протеинкиназы С могут быть все основные белки регуляторы гладкомышечного сокращения – киназу и фосфорилазу легких цепей миозина, кальдесмон и регуляторные цепи миозина:

2. Активация мономерных G-белков семейства Rho и ингибирующим фосфорилированием фосфорилазы легких цепей миозина Rho-протеинкиназой.

3. Феномен защелки. Этот механизм постулирует специфичное для ГМК образование нециклирующих дефосфорилированных актомиозиновых мостиков. Причем миозин дефосфорилируется в составе уже сформированных и находящихся в состоянии сильного связывания мостиков, что приводит к существенному уменьшению константы скорости диссоциации головок миозина и образованию так называемых защелкнутых мостиков.

Однако in vivo, тонический сократительный ответ ГМК достигается при комбинации всех механизмов.

Сократительная и электрическая активность ГМК регулируется множеством физиологически и биологически активных веществ. Реализация их эффектов на гладкомышечные клетки осуществляется с участием систем вторичных посредников.

Активация цАМФ-зависимой сигнальной системы угнетает сокращения ГМК из-за:

1. Повышения калиевой проводимости мембраны – ее гиперполяризация.

2. Стимуляции работы кальциевых насосов плазматической мембраны и СПР.

3. Снижение сродства фосфорилированной киназы легких цепей миозина к кальмодулину.

4. Снижения чувствительности сократительного аппарата ГМК к ионам кальция.

5. Активации работы натрий-калиевой АТФазы.

Активация кальциевой сигнальной системы:

1. Стимулирует работу кальциевого насоса плазматической мембраны и СПР.

2. Комплекс кальций-кальмодулин способен потенцировать кальций-зависимую калиевую проводимость мембраны ГМК

3. Комплекс кальций-кальмодулин участвует в кальций-зависимой инактивации кальциевых каналов.

Сигнальная система, связанная с метаболизмом мембранных фосфоинозитидов.

1. Ионозитол-1,4,5,-трифосфат индуцирует освобождение Са²⁺ из СПР.

2. Стимулирует деятельность кальциевого насоса, обеспечивая реабсорбцию кальция.

3. Активация протеинкиназы С оказывает угнетающее влияние на кальциевые каналы, метаболизм мембранных фосфоинозитидов, снижает сродство рецепторов к агонистам рецепторов.

4. Активация протеинкиназы С повышает калиевую проводимость мембраны из-за активации натрий-протонного обмена.

Активация цГМФ-зависимой сигнальной системы связана с метаболизмом оксида азота и вызывает:

1. Модулирующее влияние на кальциевую проводимость мембраны

2. Снижает сродство киназы легких цепей миозина к кальмодулину.

3. Увеличивает калиевую проводимость мембраны

4. Ингибирует активность некоторых изоформ протеинкиназы С

5. Снижает активность фосфолипазы С

6. модулирует активность натрий-калиевого насоса

Особенности биомеханики сокращения ГМК.

Потребление АТФ гладкомышечными клетками (у теплокровных) животных в сокращенном состоянии почти в 1000 раз меньше чем в скелетных мышцах.

Сила, развиваемая гладкой мышцей, определяется следующими факторами

1. агентом, вызывающим активность

2. концентрацией этого агента

3. начальной длинной мышцы.

Имеется оптимальная длина L₀ мышцы, при которой развиваемая ей сила, достигает максимума при действии агониста в данной концентрации.

В отличие от скелетной мышцы, при длинах меньших L₀ ГМ генерирует большую силу, чем скелетная, а при длинах больших, чем L₀, активная сила ГМ падает более полого, чем скелетной.

Дата добавления: 2014-01-04