Бұлшық еттің жиырылу механизмі.

Бұлшық еттің жиырылу механизмі.

Биологиялық қозғалыс процестерімен байланысты: жануарлар бұлшықеттерінің жиырылуы, жасушалардың өсіуі, жасушалардың бөлініуі кезіндегі ондаған хромосомалардың қозғалысы  пайда болады. Бұл процестер химиялық процестермен қамтамасыз етіледі және АТФ энергетикалық түрінде пайда болады.

   Бұлшықеттердің  жиырылуы –оның сакромерлерінің  қысқаруынан туады.  Сакромерлерінің қысқаруы қалай жүреді? Ол актиндік, миозиндік жіпшелердің бойымен М- пластинкасына бағытталып қозғалуы арқылы жүреді.

    Ал актиндік жіпшелердің  қозғалуы негізгі миофибрил белоктарының  – миозиннің, актиннің, тропомиозиннің  және тропониннің өзара әрекеттесуі нәтижесінде іске асады. Саркомердің қысқаруы АТФ- тың гидролизі және Са² қатысуымен жүреді. Яғни Са² бұлшықеттердің жиырылуы процесінің аллостериялық жолмен физиологиялық реттеушісі болып табылады. Нервтік импульс  м.б. деполяризация → Са² → тропонин → тропоминоз → актин → миозин →актомиозин → Са² ыдырауы Са² АТФ- аза → эндоплазмалық ретикулум. Нервтік импульс мембрананың деполяризациясын туғызып Са² эндоплазмалық ретикулумнан босап шығуына жағдай жасайды. Са² тропонинимен байланысып оның конформациясын өзгертеді, бұл өзгеріс әрі қарай торпомиозинге және актинге жетеді. Миозинмен актин әрекеттесіп, АТФ гидролизге ұшырайды. Сонан соң Са² босайды, тропомиозин актиннің миозинмен байланысуын тежейді. Соның арқасында бұлшықеттің жиырылуы тоқтап, қайтадан орнына келеді. Са² цитоплазмадан қайтадан эндоплазмалық ретикулумге енуі АТФ- аза насосы арқылы іске асады. Ол үшін энергия жұмсалады. 2Са² үшін I молекула АТФ жұмсалады.

1. тыныштық кезінде миозиннің бас бөлімі актин жібімен байланыспайды.

2. Са² актинмен, миозинмен байланысып актомиозин түзеді.

3. миозиннің бас бөлімі өз бағытын өзгертеді, сонымен аяқ бөліммен бас бөлімнің арасында бұрыш пайда болады, бұл бұрыш 45° тең.

4. миозиннің бас бөлімі актинмен байланысқан, оның 45° бұрылуы актиннің де жылжуына әкеп соқтырады. Актин 75 А° жылжиды.

  Сонымен бұлшықет  жұмыс істегенде АТФ жұмсалады  екен. Ал АТФ-тың бұлшықеттері  қоры бір секундқа ғана жетеді. Бұлшықет активті түрде бір секундтан көп жұмыс істей алады, яғни қалған уақыттағы энергияны бұлшықеттер:

       Кератин  → кератин + АТФ кератин фосфаттаналады.      Тыныштық кезіндегі кератинфосфаттың мөлшері  АТФ- тың мөлшерінен

5 есе артық, сондықтан  тағы да бірнеше секунд бұлшықет  жұмысына қажет энергияны қамтамасыз  етеді.  Кератинфосфаттың қоры біткен соң , энергия қоры болып табылатынын екінші зат: АДФ жұмсалады. Ал АМФ көмірсулардың катоболизміне қажет ферменттердің, энергия көзі біткен кездегі күшті модуляторы болып табылады. АТФ гидролизі кезінде түзілетін АДФ тотығып фосфорилденудің, гликолиздің, Кребс циклдерінің ферменттерінің активтендіруіне мүмкіндік жасайды. Қаңқалық бұлшықеттер үздіксіз жұмыс істеуге бейімделмеген, олар тек қажет уақытта ғана жұмыс істейді. Бұлшықеттердегі зат алмасу, осы еттердің жиырылуына қажет АТФ- ты өндіруге бағытталған. Бұлшықеттер жұмыс істеу активтілігіне  сәйкес глюкоза, май қышқылдары, кетондық денелер сияқты энергетикалық субстраттарды қолданады, ал жүрек бұлшықеті бұлармен қоса сүт қышқылын энергия көзі ретінде жұмсайды.

    Тыныштық кезінде  бұлшықеттер жоғары май қышқылдарын,  кетондық денелерді жұмсайды. Қалыпты  яғни орташа жұмыс істеген  кезде жоғары май қышқылдарын,  кетондық денелерді, қан глюкозасын жұмсайды. Өте күшті активті жұмыс істеген кезде жоғары май қышқылдары, кетондық денелер, қан глюкозасы және бұлшықеттердегі қорлық гликоген жұмсалады.

Бұлшықеттердегі зат алмасу ерекшеліктері.

   Бұлшықеттердегі көмірсулардың алмасуы тыныштық кезінде көмірсулардың гликогенге айналуын ал күшті жұмыс істеген кезде осы гликогенді және қанмен түсетін глюкозаны энергия көзі ретінде жұмсауға бағытталған. Дегенмен негізгі энергетикалық мұқтаждықтар барлық бұлшықеттер үшін майлардың тотығуы нәтижесінде түзілген жоғары май қышқылдарының β – тотығуымен қамтамасыз етіледі. Жоғары май қышқылдары митохондрияға, яғни β- тотығу жүретін жүрге карнитиннің көмегімен жеткізіледі. Ал жүрек бұлшықеті қызу жұмыс кезінде, сүт қышқылдарын тотықтыру арқылы да энергиямен қамтамасыз етіледі. Сүт қышқылы жүрекке қаңқалық бұлшықеттерден қан арқылы түседі. Жоғары май қышқылдарынан басқа бұлшықеттер, әсіресе жүрек еттері бауырдан қан арқылы түсетін кетондық денелерді қолдана алады.   

      Жүрек бұлшықеттері  осы жолмен өзіне энергияняы көптеп өндіреді. Ұзаққа созылған, біркелкі жылдамдықпен жүргізілетін бұлшықеттердің жұмысы көмірсулардың және майлардың кетоболизмін қажет етеді. Инсулин қан глюкозасын бұлшықет клеткаларына өткізіп, тотығу процесіне қатысып, энеогия көзі болуына жағдай жасайды. Катехломиндер гликогеннің жұмсалуын, май көздеріндегі  майлардың липолизін жылдамдатып, бұлшықеттердегі β-тотықтыруды активтендіреді.

 Бұлшықеттерде синтездік процестер өте аздап жүреді: тек қана гликогенез, пируваттан  аланиннің синтезі сияқты процестер жүреді. Бұлшықеттердегі гликолиз қайтымсыз, пентоофосфаттық жол жүрмейді, май қышқылдары және триглицеридтер синтезделмейді. Бұлшықеттердегі гликогеннің қоры көп емес, сондықтан олар қызу жұмыс істеген кезде түзілетін энергияның белгілі бір шегі бар. Сонымен қатар сүт қышқылының көбеюі, АТФ – тың гидролизі, осылармен тікелей байланысты рН- тың төмендеуі, қатты жұмыс істеген кезде t°- ның көтерілуі, бұлшықеттердегі метоболизмді баяулатады. Бұлшықеттердің шаршауы ״метоболиттік қарыз״ деген ұғымды тудыралы. Осы  ״метоболиттік қарызды  ״ жою үшін , қатты жұмыс істеп біткеннен кейін де бұлшықеттерде О2 қолдану жылдамдығы жоғары болады.   

Теманың актуальдығы. Бұлшықеттердің молекулалық механизмінің зерттелуі биофизиканың қызықты проблемаларының бірі болып табылады. 50 – жылдардың ортасына қарай ұйғарым бойынша бұлшықеттердің жиырылу теориясы, бұл процестің негізінде миозиндік бастардың циклдік қатынастары жатыр немесе  көлденең көпірлер жуан жіпшелерден қатысады, жіңішке жіпшелердің негізін құрайды. Бұл қарым – қатынастар саркомердің қысқаруына алып келеді, ал жіпшелердің ұзындығы тұрақты болып қала береді. Бұл маңызды процеске қарамастан , соңғы жылдардағы жетістіктер, ерекшелігі, актиннің атомдық үш реттік конструкциясының құрылуы, миозиндік кіші бастар және актин – миозиндік комплекс, көптеген маңызды детальдар көлденең көпірлердің жұмысының механизмі кезінде белгісіз болып қалады. Бұрынғыдай толық түсінік жоқ, әсіресе қандай конформациондық өзгерістер актин – миозиндік процестердегі күштердің дамуына байланысты немесе бұлшықет клеткаларының қысқаруы және АТФ гидролизінің химиялық энергиясы механикалық жұмыста қандай әдіспен құрылады.

     Бұлшықеттердің  молекулярлық жиырылу механизмінің  проблемасының зерттелуі мыналардан  тұрады, ең алдымен, актин – миозин моторының механикалық функциясы бұлшықеттердің молекула үстілік құрылымының сақталуын анықтауына мүмкіндік береді. Ал зерттеулер бойынша оқшауланған қысқартылған белоктар биохимияның барлық әдістерін қолдана отырып және молекулалық биологияда да механикалық функция туралы жанама ақпарат беруге қабілетті.Басқа жағынан алатын болсақ, актин – миозин комплексіндегі конформациондық өзгерістер құрылымдық жүйеде зерттелуі, механикалық жұмысты іске асыруға қабілетті, бұлшықет талшығы немесе миофибрилдер өте үлкен қиындықпен тіркеседі. Осындай жолмен, бұлшықеттердің жиырылуы макроскопиялық механикалық процестері және қясқартылған белоктардағы молекулалардың құрылымдық ақпараттарымен бірге осы өзара байланыстарда актуальды знрттеулер жүргізуге болады, яғни олар бұлшықеттердің механикалық функциясының негізінде жатады , яғни демембраналық бұлшықет талшықтарында , бұл ортаның құрамы болып табылады. Қысқартылған белоктарды талшығымен экспериментаторлар бақылап отырады , ал механикалық функция сақталады. Клеткалардың мөлдір мембраналарымен бірге қолданылуы стационарлық емес кинетикадағы қарапайым әдісті қодануға мүмкіндік береді , яғни синхронизация процестеріндегі импульсивті фотолиз заттары мен температураның көтерілуі сияқты , яғни бұлар бөлек миозиндік молекулаларда жүреді. Кіші бұрыштық дифракция рентгендік сәулелер әдісі бұлшықеттердегі құрылымдық өзгерістерді зерттеу үшін молекулалық деңгейдегі ең қолайлы , тиімді әдіс болып табылады. Мықты синхротрондық рентгендік сәулелер негізін қолдану арқылы және тез әсер ететін электрондық детектор арқылы интенсивті ең жарық рефлекстер өзгерісі бақаның біркелкі интактты клеткасынан субмиллисекундық уақытша рұқсат етумен өлшеуге алынған. Осы зерттеулер нәтижесінде бұлшықет жиырылуының көпір теориясының дұрыстығы 1971 жылы А. Хаксли және Симон сияқты ғалымдардың болжамдарымен сәйкес келді. Осы рентгендік дифракция техникалары арқылы бұлшықет талшықтарындағы біркелкі интактты клеткаларды зерттеуіне мүмкіндік туды  және талшықтардағы құрылымдық өзгерістер мөлдір мембрана арқылы зерттелуіне мүмкіндік туды. Мұндай талшықтарда инициализация үшін және механикалық деформация жағдайындағы  температураның жоғарылауында қолдануға болады. Мұндай жағдайда күш генерациясы изотермиялық жағдайда өтеді , яғни жуан және жіңішке жіпшелер араласпайды. Механикалық процестердің зерттеу нәтижесінде , бұлшықеттердің оқшауланған қысқартылған талшықтарында жоғарғы амплитуданың шақырылуы температураның жоғарылуы мынаны көрсетті , яғни бұл мінездемелер механикалық деформациялар арқылы ерекшеленеді.

Зерттеудің мақсаты  мен міндеттері.

  Термохимиялық және  кинетикалық зерттеулерді  молекулалық  күш   генераторлары бұлшықет жиырылуы – көлденең көпірлерге жүргізу. Бұлшықеттердегі күш генераторы процестердегі уақытта, тағы да бұлшықет талшықтарындағы рентген – құрылымдық өзгерістерде болады. Осы процестерді қалыптастыратын мыналар:

1. Қаңқа бұлшықеттерінің жеке талшықтары үшін температураның жоғарлауының әдісін ойлап табу.

2. Қаңқа бұлшықеттеріндегі демембраналық клеткалардың экспериментальді моделін ойлап табу , механикалық және рентген – құрылымын әртүрлі физикалық жағдайларда зерттеу үшін өте қажет.

3. Физикалық температурада күш генераторлардағы көпірлер қадамын кинетикалық және термодинамикалық тұрғыдан зерттеу жүргізу.

 4. Жоғарғы температурада қоянның бұлшықет талшықтарындағы механикалық реакциясын зерттеу және қандай процестермен көлденең көпірлер осы реакциямен байланысты екенін білу.

5. Қоянның жеке бұлшықет талшықтарының ауыспалы күш процесін салыстыру , субмиллисекундық өзгерістер арқылы , ұзындығы арқылы , температурасы арқылы .

6. 1 мс ішінде жеке активтелген бұлшықет талшықтарының рентген – құрылымдық өзгерістерін зерттеу және тіркеу , күш генераторлар процесі қасында жүреді , ұзындығы мен температурасы тең өзгерістер шақырылуымен жүзеге асады.

Зерттеулер әдістері. Микромеханика әдісі , бұл әдіс бұлшықеттердің жеке талшықтарының жоғарлауы -0,1 мс , лазерлік дифракциондық саркомерлердің ұзындығының регистрациясы және саркомердің ұзындығын қолдану  арқылы изотермияны бақылау , температураның жоғарлауы джоулев әдісі , рентгендік дифракцияның жоғарлауы  1 мс синхротрондық сәулелердің негізін қолдану арқылы.

  1954 жылы Хаксли  мынадай теория ұсынды. Ол А  –дискінің ұзындығының қысқаруы  кезінде тайғақ өзгермейді , қысқару  J – дискінің ұзындығының өзгерісі арқылы болады. Осындай жағдаймен, бұлшықеттердің жиырылуы негізінде актиндік жіпшелердің миозиндік жіпшелер арасындағы тайғанау жатады , кейін қайтадан орнына келеді.

     Тайғанау  механизмін 1963 жылы  Девис ұсынды. Ол негізінде – Са ² ионының босауын және олардың фибрилярлық аралық кеңістікке шығуын ұсынған. Сонда олар тропонион белогы арқылы өзара әрекеттеседі , яғни тропонион белогының жоғарлауы Са ² ие. Нәтижесінде А – центр актиндік протофибрилдербосайды. А – центр сорбироваттық молекуласы. Бұл АДФ өзінде теріс зарядын алып жүреді. Са² ионының әсері арқылы АДФ – тың теріс заряды төмендейді. Са² ионы арқылы АДФ пен АТФ арасында көпір пайда болады. Нәтижесінде АТФ тың теріс заряды төмендеп , аза – АТФ  молекуласымен өзара әрекеттеседі. Протофибрилдің жуан басы нығыздалады. , ал жіңішке протофибрил жуандыққа жылжиды. 1 бірлікке қарай көпір аралығы 15 нм . Одан соң кальцивилдік көпір бұзылады , АТФ аза – АТФ –тың әсері арқылы АДФ –ке айналады. Осыдан кейін көпір көрші жуан басымен пайда болады.

    Бұлшықеттердің  жиырылу процесі энергия арқылы  пайда болады, бұлшықет жиырылуының  инициаторы Са² ионы болып  табылады.

      Талшықтарда  миофибрилдер және бұлшықеттерде  талшықтар регистр түрінде кездеседі  , Z – линия мен А және I зоналары  кезектесіп қара немесе ашық полоскалар түрінде алмасып отырады , бұлшықеттерде көлденең орналасқан, көлденең -жолақтың  деген аты бар. Бұл көлденең жолақтарды жарық микроскобы арқылы көруге болады. Саркомерлердің ұзындығын дифракциондық әдіспен өлшеуге болады , бұларға көбінесе гелий – неондық және жартылай өткізгіш лазерлері қолданылады.

                   Қаңқа бұлшықетінің құрылысы.

Бұлшықеттердің барлық типінің жиырылуының негізгі  бұлшықет емес клеткалардың өзара әсерлесуі  жатады. Екі белок актин және миозин. Актин – консервативті белок , молекулалық массалары 42 кд. АТФ кезінде глобулярлы актин G актин F актиннің жіпшесін қалыптастырады , оның ұзындығы 20 мкм дейін барады. Актиндік жіпшелердің сол спиралі 13 суббірлікке 6 айналым жасайды. Осьтік қадам бойынша мономер арасы 2,25 нм тең. Мұны 1990 жылы Холмс және т.б. ғалымдар дәлелдеген. Моторлы белок миозин әртүрлілігімен ерекшеленеді. Қазіргі уақытта миозиннің 15 түрі белгілі және аминқышқылдардың 100 өкілдері анықталған.Мұны 1996 жылы Коп ұсынған. Барлық миозиндер 1 немесе 2 ауыр полипептидтік тізбектен және бірнеше жеңіл тізбектен тұрады. N – соңында әрбір ауыр тізбекте миозиннің глобулярлы басы орналасады және субфрагмент -1 ( S1)  олар актинмен байланысып және АТФ гидролизденеді. Нәтижесінде АТФ – тен еркін химиялық энергия босап шығады, бұл актин – миозиннің өзара байланысы механикалық жұмысқа айналады.  Бұлшықет миозині және миозин II 2 ауыр және 4 жеңіл тізбектен тұрады. С – терминалы әрбір ауыр тізбектен супер –а- спиралі субфрагмент 2 байланысқан. (S2). Физиологиялық иондар ерітіндіде 250мМ  баған участкілері миозин молекулалары миозиндік жіпшелерді қалыптастырады. Қаңқа бұлшықеттерінде бұл жіпшелер спираль симметриясымен ерекшеленеді және оң спираль периоды бойынша және осьтік қашықтығы бойынша миозин бастары- 14,3 нм болады. 1 миозиндік спиральға 9 миозиндік молекула сәйкес келеді немесе 18 миозиндік кіші бастар сәйкес келеді.