Биохимия мышц

Большую часть (до 60—65 %) мышечной клетки (волокна) занимают активные сократительные элементы — миофибриллы, которые служат рабочим аппаратом клетки и играют главную роль в двигательной функции организма. На долю белков миофибрилл приходится около 30 % общего белка мышц. Они представлены в основном миозином, актином, актомиозином, тропомиозином, тропонином и некоторыми другими белками. При этом миозин локализован в толстых филаментах миофибрилл, актин, тропонин и тропомиозин — в тонких, а актомиозин представляет собой комплекс актина и миозина. 
На долю миозина приходится около 40 % всех белков мышечной ткани. Он относится к фибриллярным белкам; получен в кристаллическом виде; его молекулярная масса 470 000. По растворимости и высаливаемости он ведет себя как типичный глобулин. Включает полный набор аминокислот, около 70 % которых приходится на дикарбоновые кислоты, что придает белку кислотный характер. Изоэлектрическая точка его находится при pH 5,4. Большое количество полярных групп, а также фибриллярная форма молекулы обусловливают высокую гидратацию миозина. 
Молекула миозина состоит из двух идентичных тяжелых и двух пар легких цепей. Тяжелые цепи (молекулярная масса по 200 000) в форме α-спиралей, скрученных в суперспираль, образуют стержень молекулы и заканчиваются в концевых глобулах (рис. 27). Это самые длинные из известных полипептидных цепей. Они содержат по 1800 аминокислотных остатков. В каждой концевой глобуле находятся еще две легкие цепи (относительная молекулярная масса по 18 000), свернутые в свои собственные глобулы, которые связаны нековалентно с основной.

 
Миозин обладает тремя важными биологическими функциями. Во-первых, при физиологических значениях ионной силы и pH молекулы миозина в растворе спонтанно образуют волокна. Это происходит благодаря возможности нековалентного взаимодействия 300—400 молекул миозина. Так образуется толстая нить миофибрилл мышечной ткани, которая при диаметре 16 нм имеет длину 1500 нм. В сечении нити насчитывается два-три десятка молекул. Молекулы миозина в толстых нитях уложены так, что в середине они стыкуются «хвост к хвосту», образуя зону в 150 нм, далее к обоим концам толстой нити они уже стыкуются «голова к хвосту», причем ТММ-части молекул выступают наружу (рис. 28). Стыковка молекул к тому же ступенчатая, как в коллагене. В результате этого выступающие части располагаются на толстой нити по спирали. Соединение «хвост к хвосту» обеспечивается так называемым легким меромиозином (ЛMM).

 
Во-вторых, миозин гидролизует АТФ по схеме:

 
где АТФ — аденозиндифосфат; АДФ — аденозинтрифосфат; Фн — неорганический фосфор. 
Эта реакция является непосредственным источником свободной энергии, необходимой для мышечного сокращения. 

В-третьих, миозин связывает полимеризованную форму актина (фибриллярный актин) — основной компонент тонких нитей миофибрилл. Именно это взаимодействие играет ключевую роль в генерировании силы, обеспечивающей смещение толстых и тонких нитей миофибрилл относительно друг друга.

 
Актин может существовать в двух формах: Г-форме — глобулярной, Ф-форме — фибриллярной. Он составляет 10—15% всех мышечных белков. В растворах с низкой ионной силой актин существует в виде мономера с молекулярной массой 47000. При повышении ионной силы раствора до физиологического уровня Г-актин полимеризуется в Ф-актин, очень похожий на нить. Г-актин представляет собой одну полипептидную цепочку, сложенную в глобулу. Его концевая аминокислотная последовательность такова: N-ацетил-Asp-Gly-Trp. В состав актина также входят редко встречающаяся аминокислота ξ-N-метиллизин, большое количество остатков пролина и семь остатков цистина. 
Молекула Г-актина может связать одну молекулу АТФ. Присоединение АТФ приводит к полимеризации в Ф-актин с одновременным расщеплением АТФ до АДФ и выделением Фн (неорганический фосфор), при этом АДФ остается связанным с Г-актино-выми субъединицами (рис. 29).

 
Быстрая полимеризация актина происходит также при добавлении ионов Mg2+. При этом образуется двухнитчатая спираль, в которой каждая составляющая напоминает нить бус, закрученных одна вокруг другой. Диаметр спирали — около 70 А. Структура состоит из повторяющихся участков длиной 360 А по оси спирали. Каждая спираль состоит из 200—300 отдельных глобул-бусинок. Относительная молекулярная масса Ф-актина находится в пределах 150 000. Актин не обладает АТФ-азной активностью, но значительно увеличивает гидролиз АТФ миозином. Так, число ферментативных циклов миозина увеличивается в 200 раз (от 0,05 до 10 с-1). Собственно гидролиз АТФ под действием одного миозина идет очень быстро, но продукты реакции — АДФ и Фн — высвобождаются медленно. Актин увеличивает АТФ-азную активность миозина, присоединяясь к комплексу АДФ-Фн-миозин, и ускоряет высвобождение АДФ и Фн (рис. 30).

 
После гидролиза актомиозин связывается с АТФ, что приводит к его диссоциации. В результате вновь образуется комплекс АТФ-миозин, входящий в новый каталитический цикл. Эти реакции идут с участием Mg2+. Важнейшая особенность процесса состоит в том, что актин обладает высоким сродством к миозину и комплексу АДФ-Фн-миозин, но низким сродством к комплексу АТФ-миозин. Вследствие этого актин то присоединяется к миозину, то высвобождается из него в зависимости от гидролиза АТФ. 
Именно это явление лежит в основе генерирования силы при мышечном сокращении. 

Актомиозин — это сложный комплекс, который образуется при добавлении раствора актина к раствору миозина. При этом молекулы миозина прикрепляются своими головками к бусинкам актина через SH-группы миозина и ОН-группы актина. Поскольку цепь Ф-актина содержит много молекул Г-актина, каждая нить Ф-актина может связывать большое число молекул миозина. Формирование этого комплекса сопровождается увеличением вязкости раствора. Вязкость возрастает при добавлении АТФ или в присутствии ионов Mg2+. Так было выявлено, что АТФ вызывает диссоциацию актомиозина на актин и миозин. При погружении актомиозиновых нитей в раствор, содержащий АТФ, K+ и Mg2+, они сокращаются. В тех же условиях нити, образованные из одного миозина, не сокращаются. Таким образом, мышечное сокращение возникает в результате взаимодействия актина, миозина и АТФ.

 
Тропомиозин постоянно присутствует в структуре тонких (актиновых) филаментов, имеет относительную молекулярную массу около 70000, палочковидную форму, длину примерно 40 нм и толщину 2 нм. Тропомиозин состоит из двух неидентичных α-спиральных полипептидных цепей, закрученных относительно друг друга. Эта сравнительно жесткая молекула располагается в желобке специальной цепочки Ф-актина (рис. 31). Протяженность тропомиозина соответствует семи Г-актиновым мономерам, а контактирует лишь с одной из двух цепей Ф-актина. Чистый тропомиозин легко присоединяется к Ф-актиновым филаментам.

 
Роль тропомиозина сводится к регулированию взаимодействия актина и миозина в процессе мышечного сокращения. 
Содержание тропомиозина составляет 10—12% всех белков миофибрилл или 2,5 % белков мышц. Растворим в воде, но из мышечной ткани водой не извлекается. Изоэлектрическая точка его лежит при pH 5,1.

 
Тропонин представляет собой сферическую молекулу с относительной молекулярной массой 76000, состоящую из трех различных субъединиц — полипептидных цепей, получивших свое название в соответствии с выполняемыми функциями: тропомиозинсвязывающая субъединица (ТнТ), ингибирующая (TнI) и кальцийсвязывающая (ТнС). Все компоненты связаны между собой и Ф-актином нековалентно. 
TнT имеет относительную молекулярную массу 37000, образована одиночной полипептидной цепью, содержащей 259 аминокислотных остатков, последовательность которых установлена. Эта субъединица имеет избыточный положительный заряд, в связи с этим изоэлектрическая точка находится при pH 8,8. ТнТ прочно связывается тропомиозином (см. рис. 31) и тропомиозин-Ф-актиновым комплексом, благодаря чему происходит присоединение TнI и TнC к комплексу Ф-актин-тропомиозин. 
Цепь ThI состоит из 179 остатков. Ее функция заключается в предотвращении взаимодействия миозиновых головок с актином. В результате блокируется как связывание, так и АТФ-азная активность миозина. 
Кальцийсвязывающая субъединица (ТнС) с относительной молекулярной массой 18 ООО образована полипептидной цепью, состоящей из 159 остатков аминокислот. ТнС — единственная из трех субъединица, несущая центр связывания Ca2+. 
Тропониновые комплексы (ТнТ, ThI и ТнС) располагаются на тонких нитях на расстоянии 385 А друг от друга, причем этот интервал задается длиной тропомиозина. Связываясь с одной молекулой тропомиозина, тропониновый комплекс регулирует активность примерно семи мономеров актина. 
В отсутствие Ca2+ тропонин и тропомиозин ингибируют взаимодействие актина и миозина. При этом тропомиозин стерически блокирует участки связывания S1 на актине (см. рис. 27). Ионы Ca2+, высвобождаемые из саркоплазматического ретикулума, связываются ТнС-компонентом тропонина, что вызывает конформационные сдвиги, передающиеся на тропомиозин и затем на актин. В частности, тропомиозин передвигается к центру длинной впадины, спирально расположенной вдоль тонкой нити. Это допускает взаимодействие головок миозина с актиновыми единицами тонких нитей. Возникает сила сокращения, и одновременно гидролизуется АТФ. Далее происходит удаление Ca2+ и тропомиозин вновь блокирует доступ актина к головкам миозина. Таким образом Ca2+ регулирует мышечное сокращение по аллостерическому механизму со следующей цепью передачи информации:

Ca2+ → Тропонин → Тропомиозин → Актин → Миозин

 
Современные методы биохимии, электронной микроскопии, дифракции рентгеновских лучей позволяют представить основные этапы механизма мышечного сокращения как конформационные переводы белковых компонентов миофибрилл, которые тесно связаны с этапами гидролиза АТФ (см. рис. 30). 

В состоянии покоя S1-головки миозина не связаны с тонкими актиновыми нитями и проявляют АТФ-азную активность. Миозин активно гидролизует АТФ до продуктов, которые прочно удерживаются в комплексе АДФ-Фн-миозин (рис. 32).

 
В этом физиологическом состоянии головки миозина располагаются вокруг толстой нити по спирали биполярно. 
Таким образом, система актин-миозин-тропонин представляет собой уникальный тип химического двигателя, поскольку она осуществляет непосредственное преобразование химической энергии в механическую при постоянных температуре и давлении. Ни одна из созданных человеком машин к подобному преобразованию энергии не способна. 
В послеубойный период свойства всех тканей животного организма значительно изменяются, особенно свойства мышечной ткани. Вследствие прекращения доступа кислорода, регулирования обмена веществ и энергии в тканях обратимые жизненные процессы становятся необратимыми, при этом распад клеточных веществ превалирует над синтезом. Затем под действием гидролитических ферментов начинается самораспад тканей. Наступает автолиз. 
Состояние автолиза тканей легко определяется по внешним признакам визуально. Сразу после убоя мышечная ткань расслаблена, поскольку в клетках содержится АТФ, уровень которого поддерживается в результате ряда хаотично протекающих реакций. Затем через несколько часов ранее расслабленные мышцы теряют свою гибкость, эластичность и становятся твердыми и непрозрачными. Наступает посмертное окоченение, которое сохраняется в течение 24—48 ч. 
Скорость развития окоченения и его глубина зависят от видовых особенностей животного и внешних физико-химических факторов. Так, например, при температуре, близкой к нулю, окоченение наступает для сырья из крупного рогатого скота через 18—24 ч, свиней 16—18 ч, кур 2—4 ч. Окоченение развивается вдвое быстрее при 15—18 °С, а при 37 °С — в четыре раза. При быстром охлаждении туш после убоя окоченение менее интенсивно; в мышцах молодых животных окоченение протекает быстрее, чем старых; упитанность мышц также влияет на глубину и скорость окоченения, которое протекает медленнее при высокой упитанности. Процесс посмертного окоченения зависит также и от состояния здоровья животного при жизни. 
Окоченение мышц связано с изменением состояния мышечных волокон, которые остаются напряженными. 

Механизм сокращения мышечных волокон в период окоченения сходен с механизмом их сокращения при жизни, однако имеются и существенные различия. Вместо организованного и регулируемого сокращения групп волокон под влиянием нервного импульса они беспорядочно сокращаются по всему объему мышцы. Процесс протекает несинхронно, отдельные волокна находятся в разной стадии сокращения. Неравномерность перехода в сокращенное состояние обнаруживается даже по длине одного и того же волокна: одна часть его может быть расслаблена, в то время как другая — сокращена. В структуре волокон развивается большое напряжение, которое выражается в появлении признаков их внутреннего строения. Число сокращенных волокон нарастает и достигает максимума в момент наиболее интенсивного посмертного окоченения. 
Молекулярная основа процесса такова: поперечные связи между филаментами актина и миозина сохраняются и не могут разорваться из-за отсутствия АТФ. Активный транспорт Ca2+ в саркоплазма-тический ретикулум оказывается невозможным, так же, как и переход миозина в активированное состояние, т. е. в конформацию АДф-Фн-миозин. По этой причине продукты гидролиза АТФ (АДФ-Фн) удаляются не вследствие образования комплекса АДФ-Фн-актин-миозин, а за счет диффузии. При этом не происходят соответствующие конформационные переходы в рабочих элементах клетки, а следовательно, взаимодействие актин-миозин остается. Актомиозиновый комплекс можно разрушить, приложив внешнюю силу, но восстановить потом нельзя. 
Для периода мышечного окоченения характерно накопление веществ небелковой природы, которые в совокупности сильно сдвигают pH саркоплазмы клетки в кислотную область. Это обстоятельство усиливает агрегационные процессы и создает фон для интенсивного окоченения мышц. При этом в значительной степени изменяются свойства белков, резко снижается их экстрагируемость, растворимость и водоудерживающая способность. В период максимального окоченения эти показатели минимальны, что связано с изоэлектрическим состоянием основных рабочих белков клетки (область pH около 5,5). При дальнейшем снижении или повышении pH гидратационная способность белков восстанавливается. По истечении 24—48 ч наступает период разрешения от мышечного окоченения, при котором все более заметными становятся признаки разрушения клеточных структур: ядра сморщиваются, появляются поперечные разрывы мышечных волокон. 
Современные представления о механизме автолитических процессов базируются на ферментативной природе посмертных изменений мышечной ткани, установленных еще в 1930-х годах И.А. Смородинцевым. Наиболее важное значение здесь отводится двум основным ферментным системам. Одна из них, очевидно, связана с функцией движения и регулирует сокращение — расслабление, другая катализирует непрерывный распад главных структурных элементов мышечного волокна по типу гидролиза. Роль каждой из этих двух систем в развитии этапов автолиза различна, но их функции тесно связаны между собой. 
Автолитические превращения белков наряду с другими биополимерами являются причиной формирования специфического вкуса и аромата. Основными компонентами являются аминокислоты и амиды (гистидин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, глутамин, глицин, треонин, фенилаланин, лейцин и др.). Эти вещества накапливаются в процессе автолиза при распаде белков, а также пептидов, относящихся к экстрактивным веществам мышечной ткани. 
В миофибриллах мышечных клеток обнаружено небольшое количество других белков. В частности, известно, что белки актинины (α- и β-актинины) выполняют регуляторную роль в процессе сокращения, а также участвуют в образовании поперечных связей между тонкими нитями в саркомерах.