Биология мышц определяет эффективность лечения в спорте, анестезии и кардиологии Понимание структуры мышц лежит в основе спортивных результатов, безопасной анестезии и кардиотерапии. Понимание регенерации сердечной мышцы помогает при лечении инфаркта миокарда, основной причины смерти. В лекции рассказывается о том, как форма мышц и молекулярная механика влияют на их функционирование и заболевание.
Исчерченный или гладкий, со скелетными, сердечными и висцеральными вариантами исчерченности Мышцы делятся на поперечно-полосатые и гладкие на основе микроскопических полос. Поперечно-полосатая мускулатура включает скелетную и сердечную формы, а также висцеральные поперечно-полосатые волокна в верхней части пищевода и диафрагмы, которые отражают структуру скелета, но отличаются по прикреплению и управлению. Гладкая мускулатура не имеет поперечных полос и имеет четкую молекулярную организацию.
Истоки развития и связь нервного гребня с сердцем Мышцы могут образовываться из нескольких эмбриональных источников, и специфические мышцы, особенно на лице и шее, зависят от участия жаберной дуги и нервного гребня. Нервный гребень играет важную роль в развитии сердца, связывая черепно-лицевые аномалии с дефектами сердца и вилочковой железы. Поскольку происхождение зависит от мышцы, лучше всего рассматривать развитие от органа к органу.
Мышечный орган состоит из эпимизия, перимизия и эндомизия Скелетные мышцы слишком толстые для диффузии в одиночку, поэтому соединительнотканные перегородки снабжают сосуды и нервы. Эпимизий покрывает всю мышцу, перимизий разделяет пучки, а эндомизий окружает каждое волокно. Эти оболочки отвечают за иммунную реакцию во время инфекции, обеспечивая поступление питательных веществ и иннервацию.
Мышечное волокно представляет собой длинную многоядерную клетку (миосинцитий). Мышечное волокно - это одиночная многоядерная клетка, длина которой может соответствовать длине мышцы, как у сарториуса. Ее мембрана называется сарколеммой, цитоплазма - саркоплазмой, а специализированный орган - саркоплазматический ретикулум. Т-образные канальцы представляют собой пальцевидные сарколеммальные инвагинации, которые обволакивают миофибриллы для координации активации.
Миофибриллы упаковывают волокно; саркомер является повторяющейся единицей Не путайте волокно (клетку) с миофибриллами (органеллами), которые его заполняют. Саркомеры повторяются вдоль миофибрилл и обеспечивают сократительную способность. Структура саркомеров объясняет, как сокращаются целые волокна.
Карта саркомера: Z-линии, полоса A, полоса I, зона H и линия M Линии Z связывают каждый саркомер и закрепляют тонкие нити. Полоса A содержит толстый слой миозина и перекрывающий его тонкий актин, в то время как полоса I содержит только актин. Центральная зона H содержит только миозин в расслабленном состоянии, а линия M закрепляет толстые нити.
Тонкие нити и их регуляторы контролируют доступ миозина Глобулярный актин полимеризуется в F-актин, а тропомиозин, закручиваясь по спирали, блокирует места связывания. Тропонин распознает кальций и сдвигает тропомиозин, обеспечивая образование перекрестных мостиков. Тропомодулин ограничивает длину актина, а небулин служит молекулярной линейкой для стабилизации размеров филаментов.
Титин, десмин и дистрофин стабилизируют выравнивание и передачу усилия Титин соединяет Z-образную линию с толстой нитью, центрируя миозин и предотвращая его чрезмерное растяжение. Десмин, промежуточная нить, специфичная для мышц, образует Z-образную решетку и соединяется с мембраной через анкирин. Дистрофин связывает цитоскелет с ламинином посредством комплексов дистрогликан–саркогликан; его мутация вызывает мышечную дистрофию Дюшенна. Альфа-актинин закрепляет актин на Z-линиях.
Скользящие нити укорачивают саркомеры, не укорачивая сами нити Во время сжатия актин скользит глубже к линии M, в то время как длина нитей остается постоянной. Полосы I и зона H сжимаются или исчезают, в то время как полоса A сохраняется. Это скольжение лежит в основе макроскопического укорочения и создания силы.
АТФ способствует отсоединению и увеличению мощности удара; окоченение наступает после потери АТФ Кальций обеспечивает связывание актина с миозином, но для отделения и повторного включения миозина требуется связывание АТФ. Гидролиз с образованием АДФ и фосфата запускает мощный импульс, который втягивает актин внутрь. Без АТФ миозин не может высвобождать актин, что приводит к посмертному окоченению и невозможности расслабления.
Кальциевая терапия: Т-канальцы, SR, DHPR, RYR и кальсеквестрин Деполяризация мембраны затрагивает Т-канальцы, механически изменяя дигидропиридиновые рецепторы, открывая рианодиновые рецепторы в цистернах СР. Кальций наполняет саркоплазму, связывает тропонин и инициирует циркуляцию через мостики. Кальсеквестрин накапливает кальций в СР, а АТФ-зависимые насосы восстанавливают его; недостаток АТФ задерживает кальций и поддерживает сокращение.
От нервного импульса к сокращению: необходимая последовательность Приток натрия, запускаемый нейромедиаторами, деполяризует сарколемму и ее Т-образные канальцы. Изменение конформации DHPR открывает RYR, высвобождая кальций SR. Кальций обеспечивает взаимодействие актина и миозина, а АТФ обеспечивает как силу ударов, так и отслоение для повторных циклов.
Типы метаболических волокон определяют скорость, выносливость и спортивные результаты Красные волокна богаты миоглобином, в них много митохондрий, и они способствуют аэробному окислению, что обеспечивает более медленную и длительную работу. Белые волокна накапливают гликоген и полагаются на быстрый гликолиз, который приводит к быстрым и коротким выбросам молочной кислоты. Волокна типа IIa сочетают окислительные и гликолитические процессы, обеспечивая среднюю скорость и выносливость.
Распознавание скелетных мышц: периферические ядра, бороздки, триады, произвольный контроль На скелетных мышцах имеются бороздки, а на поперечных срезах видны периферические ядра, которые отличают их от сердечных. Триады — Т-образный каналец, окруженный двумя концевыми цистернами, — расположены на стыке A–I. Сокращение происходит под произвольным контролем, в отличие от сердечной и гладкой мускулатуры.
Восстановление скелетных мышц зависит от сателлитных клеток и структурного миогенеза Клетки-сателлиты под базальной пластинкой, идентифицируемые по Pax7, восполняют поврежденные волокна и составляют примерно десятую часть ядер. Первичные эмбриональные миотрубочки образуются в результате слияния миобластов с центральными ядрами, позже интегрируя дополнительные клетки вблизи мест иннервации. Тренировка увеличивает содержание миофибрилл в волокнах, а не создает новые волокна.
Кардиомиоциты: центральные ядра и функциональная сеть анастомозов Сердечная мышца состоит из одно- или двуядерных клеток с центральными ядрами, которые разветвляются и соединяются между собой. Они не соединяются в гигантские волокна, а образуют трехмерную сеть, действующую как функциональный синцитий. Сокращения являются непроизвольными и требуют синхронной активации по всей ткани.
Вставленные диски соединяют сердце механически и электрически Щелевые соединения (нексус) в интеркалированных дисках синхронизируют деполяризацию между клетками. Десмосомы обеспечивают прочность на разрыв, в то время как адгезивная фасция соединяет актин с мембраной, выравнивая миофибриллы по границам клеток. Эти соединения обеспечивают равномерное и эффективное сердцебиение.
Сердечные пары, поступление кальция и плато активации Т-образные канальцы выстраиваются по Z-образной линии и соединяются с одной цистерной SR, образуя пары. Кальций поступает из внеклеточного пространства по каналам DHPR, а затем запускает высвобождение SR, обеспечивая длительное плато активации. Индивидуальный тщательный контроль не требуется; скоординированное распределение предотвращает аритмию.
Регенерация миокарда ограничена и компенсируется без появления новых клеток Сердечная мышца обновляется медленно — в молодости около 1% в год, с возрастом она сокращается, и за это время происходит обновление примерно за половину жизни. После травмы существующие клетки увеличивают ядра и миофибриллы, а не формируют новые кардиомиоциты. Отслеживание родословной показывает, что новые кардиомиоциты возникают из ранее существовавших кардиомиоцитов после раннего эмбриогенеза, в то время как мезенхимальная клеточная терапия действует через паракринные сигналы, а не через длительное приживление.
Структура гладкой мускулатуры обеспечивает устойчивую и экономичную силу Гладкомышечные клетки веретенообразной формы с центральным ядром лишены бороздок и организованных миофибрилл. Плотные тельца, богатые альфа-актинином и десмином, прикрепляют пучки актина к цитоплазме и мембране. Т-образные канальцы отсутствуют, и сокращения являются непроизвольными, что соответствует их роли в перистальтике и секреции.
Передача сигналов кальмодулином–MLCK активирует миозин гладких мышц Кальций поступает через мембранные каналы или высвобождается SR, включая деполяризацию, вызванную гормонами, и реакцию растяжения. Четыре иона кальция связывают кальмодулин, который активирует киназу легких цепей миозина для фосфорилирования миозина. Фосфорилированный миозин открывает участки связывания с актином, в то время как кальдесмон и кальпонин сдерживают взаимодействие при низком содержании кальция.
Состояние фиксации и исключительная способность гладкой мускулатуры к регенерации Дефосфорилированный миозин может оставаться прикрепленным к актину, поддерживая тонус при минимальном использовании АТФ, что жизненно важно для поддержания сосудистого давления. Гладкомышечные клетки легко делятся и могут дифференцироваться от недифференцированных предшественников, фибробластов и миоэпителиальных клеток, а также от перицитов, расположенных вдоль сосудов. Различное эмбриональное происхождение, включая нервный гребень, обеспечивает надежную репарацию в разные периоды жизни.
Клиническая картина демонстрирует наследственные заболевания мышц и логику проведения биопсии У семилетнего ребенка с внезапными сокращениями конечностей и аналогичными случаями по материнской линии можно предположить наследственное нервно-мышечное расстройство. Гистологические изменения при биопсии становятся решающим ключом к пониманию механизма и наследственности. Сценарий предлагает применить структурные и молекулярные знания к реальной патологии.