Скорочення м'язів: Гіпотеза про зсув волокон

Саркомер: рушій м’язів

М’язова тканина скелетної форми будується з м’язових волокон, і кожне волокно містить повторювані одиниці, що називаються саркомерами — фактичним механізмом скорочення. Саркомер обмежений двома Z-дисками, які закріплюють тонкі актинові нитки, що спрямовані всередину з кожного кінця, між товстими міозиновими нитками в центрі. Скорочення не є стисненням волокон — вони залишаються фіксованої довжини — це ковзання тонких і товстих ниток один по одному, що тягне Z-диски ближче до себе. Це теорія ковзного волокна, встановлена ​​Гекслі та Нансоном і незалежно Гекслем і Найдергерке в 1954 році, і це модель, яку безпосередньо відтворює ця симуляція: спостерігайте, як Z-диски стискаються, коли нитки ковзають, а не стискаються.

Міждодкорний цикл: один АТФ, одна силосна рухливість

Зсув приводиться в дію голівками міозина — невеликими білковими моторами, що проектуються з товстого волокна, які повторно захоплюють волокно актину, тягнуть його на кілька нанометрів, відпускають і скидають, сотні разів на секунду по всьому світу через мільярди голів. Цикл має чотири хімічно різні етапи:

1. приєднано, стан жорсткості: голівка міозина, зв’язана щільно з актином, без АТФ; 2. АТФ зв’язується з міозином: голова звільняє актин (це «кроковий» етап — без АТФ голова залишається заблокованою на актині, що пояснює причину жорсткості тіла, викликаної нестачею АТФ); 3. АТФ гідролізується -> АДФ+ПІ: голова нахиляється у високоенергетичну конфігурацію та повторно приєднується слабко, далі по актині; 4. силовий рух: ПІ та АДФ вивільняються, голова різко переходить до низькоенергетичної форми, штовхаючи актин на 10 нм — це етап генерації сили Кожен цикл споживає рівно одну молекулу АТП і виробляє один дискретний силовий рух; скорочення саркомеру є статистичною сумою величезної кількості незалежно циклічних голів, тому м’язова сила вихід є плавною, а не ривковим, хоча основна механіка складається з окремих крокових механізмів.

1. attached, rigor state:  myosin head bound tightly to actin, no ATP
2. ATP binds myosin:       head releases actin (this is the "detach" step -
                            without ATP the head stays locked on, which is
                            why rigor mortis is caused by an ATP shortage)
3. ATP hydrolyzed -> ADP+Pi: head cocks into a high-energy conformation
                            and re-attaches weakly, further along actin
4. power stroke:           Pi then ADP are released, the head snaps to
                            its low-energy shape, dragging actin ~10 nm -
                            this is the force-generating step

Чому виникає ригідність, механічно

Крок 2 циклу – зв’язування з АТФ – це те, що звільняє головку міозина від актину. Після смерті клітинне вироблення АТФ припиняється та існуюче АТФ швидко споживається і не поповнюється, тому головки міозина, які перебувають у з’єднаному, ригідному стані, не мають до чого зв’язуватися і не можуть від’єднуватися. Кожна головка одночасно заблокована перехресним з’єднанням з актином по всьому саркомеру, і м'яз застигає – ригідність є безпосереднім механічним наслідком зупинки циклу перехресних з’єднань на тому самому етапі, який потребує свіжої АТФ, а не окремого біологічного процесу.

Зв’язок сили та довжини (Force-Length Relationship)

Оскільки сила виникає завдяки кількості голів міозинових головок, які фізично досягають і з’єднуються з актином, то сила, яку може генерувати саркомер, залежить від того, наскільки вже перекриваються товстий та тонкий волокна — і цей перехресний зв'язок є безпосередньо функцією довжини саркомеру. Занадто сильно розтягнутий, актин та міозин майже не перекриваються і утворюється мало поперечних мостів: сила низька. При середній, оптимальній довжині (приблизно довжині саркомеру в живій клітині), перехресний зв’язок максимальний і сила досягає піку. Занадто сильно стиснутий, тонкі волокна з протилежних кінців починають перекривати один одного, а міозинові волокна тиснуть на Z-диски, знову зменшуючи ефективне утворення поперечних мостів і силу. Отриманий крива сили залежно від довжини має характерну форму: підйом – рівень – спад, і це безпосередньо пояснює, чому сила м’яза вимірювано залежить від кута згинання суглоба, з якого він скорочується — саркомер у ньому знаходяться в різних точках на цій самій кривій при різних кутах згинання суглоба.

Кальцій: перемикач, а не рушій

Кросст-бриджний цикл не відбувається безперервно за своєю природою — він регулюється кальцієм. У стані спокою комплекс регуляторних білків (триопін-тріпоміостимін) фізично блокує зв’язувальні місця міозину на актині. Нервовий імпульс викликає вивільнення кальцію з саркоплазматичного тілореактора; кальцій зв’язується з триопіном, що призводить до зміщення тропоміостиміну та відкриття цих місць, дозволяючи розпочатися кросст-бриджному циклу. Коли нервовий сигнал припиняється, кальцій транспортується назад у сховище, тропоміостимін блокує місця, і м’яз розслабляється. Таким чином, кальцій діє лише як перемикач ‘ввімкни/вимкни’, що дозволяє кросст-бриджному циклу, який живиться АТФ, генерувати силу, коли перемикач відкритий.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Muscle Contraction і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.