МЫШЦЫ

Мышцы построены из мезенхимальных клеток, специализирующихся на сокращении. Структурная организация этих клеток определяется типом и силой сокращения, которое они должны осуществлять. Клетки гладких мышц специализированы лишь немногим более, чем фибробласты, а скелетные поперечнополосатые мышцы состоят из клеток, организованных в высшей степени регулярно. Весь этот диапазон различий является очень древним: и гладкие, и поперечнополосатые мышцы имеются у всех животных вплоть до Coelenterata.

Гладкомышечные клетки, в наибольшей степени сходные по своему строению с фибробластами, представляют собой длинные тонкие веретенообразные клетки с одним, центрально расположенным ядром. Непосредственно у их клеточной мембраны расположены многочисленные плотные тельца, с помощью которых гладкомышечная клетка прикрепляется к другим гладкомышечным клеткам и внеклеточному матриксу. Эти плотные тельца богаты винкулином и служат местом прикрепления многих микрофиламентов и некоторых промежуточных филаментов. Пучки микрофиламентов располагаются в клетке крест-накрест; когда клетка находится в состоянии расслабления, они обладают двойным лучепреломлением, а при сокращении они образуют уже не столь правильно организованную сеть и двойное лучепреломление исчезает. Гладкомышечная клетка не обладает ярко выраженной системой толстых, миозиновых нитей; сборка толстых нитей в ней регулируется, вероятно, с помощью фосфорилирования легких цепей миозина, осуществляемого специальной киназой. В гладкомышечных клетках взрослых особей имеются микротрубочки. Еще более выражена система микротрубочек в культивируемых гладкомышечных клетках: она сходна по своей организации с системой микротрубочек в фибробластах и состоит из длинных извитых нитей, радиально расходящихся из центральной части клетки. Различия в строении фибробластов и гладкомышечных клеток обусловлены биохимической дифференцировкой клеток. Так, гладкомышечные клетки отличаются от фибробластов набором имеющихся у них изоформ актина. Существуют также специфичные для гладкомышечных клеток изоформы тяжелых и легких цепей миозина. Весьма интересным примером биохимической гетерогенности самих гладкомышечных клеток являются различия в белках их промежуточных филаментов: гладкомышечные клетки могут содержать филаменты десминового типа (аналогично поперечнополосатым мышцам), или виментинового типа, или одновременно обоих типов. Такая двойственная экспрессия белков наблюдается как в первичной культуре клеток, так и in situ, во взрослой особи. Степень гетерогенности экспрессируемых белков промежуточных филаментов у разных гладкомышечных клеток взрослой особи неодинакова; возможно, что тип экспрессируемого белка определяется отчасти тем, в какой мере данная клетка вовлечена в процесс сокращения.

Значительно больше известно о цитоскелетной организации поперечнополосатых мышц: сердечной и скелетных. Эти мышцы сходны с гладкими в том, что большая часть их внутриклеточного пространства занята микро-филаментами и соответствующими вспомогательными структурами и что значительную долю их суммарного клеточного белка составляют сократительные белки. И сердечная, и скелетные мышцы отличаются, однако, от гладких мышц более высоким уровнем организации. Тонкие нити располагаются в них координированно, «в фазе» друг с другом, области расположения тонких нитей перемежаются областями, занятыми толстыми, миозиновыми нитями. Тонкие нити оканчиваются на электроноплотных структурах, называемых Z-линиями (Z-дисками), а центры толстых нитей образуют линии М. Участок мышцы между двумя соседними Z-линиями носит название саркомера.

Клетки сердечной мышцы, как и гладкомышечные клетки, имеют одно ядро. Их микрофиламенты располагаются, однако, более упорядоченно, чем в гладких мышцах, хотя и не с такой высокой степенью регулярности, какая свойственна скелетным мышцам. Упорядоченность проявляется уже на внутренней поверхности клеточной мембраны. Кортикальная сеть сердечномышечной клетки содержит p-спектрин и винкулин, располагающиеся рядами — по наружной кромке Z-линии. Ряды расположенных таким образом белков называются костамерами и образуют как бы ребра жесткости вокруг миофибриллы. Расстояние между костамерами изменяется вместе с длиной саркомеров во время сокращения. Еще одна высокоорганизованная структура на поверхности сердечных клеток — это вставочный диск, локализующийся в месте соединения клетки со следующей. При переходе от одной клетки к другой не происходит нарушения периодичности расположения саркомеров в миофибрилле: Z-линия заменяется двумя клеточными мембранами. Вставочный диск содержит а-актинин, актин и винкулин, вокруг которых концентрируется десмин.

Миофибриллы, образующие сердечную мышцу, ветвятся каждая мышечная клетка контактирует через вставочные диски с несколькими клетками. Миофибрилла представляет собой ряд последовательно расположенных саркомеров. В Z-линиях центральные области содержат а-актинин и актин, эти области окружены десминовыми филаментами. Отходящие от Z-дисков тонкие нити состоят из сердечномышечного а-актина и покрыты сердечномышечными формами тропонина и тропомиозина. Длина тонких нитей неодинакова, разница может достигать 0,6 мкм. Тонкие нити перекрываются с толстыми, миозиновыми нитями, центры которых располагаются на линии М. Таким образом, большая часть внутреннего пространства сердечной клетки заполнена сетью актиновых и миозиновых филаментов; пространственная организация этой сети обеспечивает равномерное распределение натяжения между соседними клетками. Десминовые филаменты, присутствующие в сердечной мышце в заметном количестве, играют в ней такую же роль, как и в гладкомышечных клетках (тех, которые содержат много десмина): они, по-видимому, удерживают каким-то образом мышечные клетки друг возле друга, противодействуя натяжению, создаваемому самими этими клетками.

Из трех типов мышц скелетные поперечнополосатые мышцы обладают наивысшей степенью пространственной организации. Эта организация проявляется уже на клеточной поверхности: как и у клеток сердца, на внутренней поверхности мембраны скелетно-мышечных клеток имеются костамеры. Костамеры скелетных мышц содержат 7-актин, спектрин, белки промежуточных филаментов и винкулин; подобно костамерам сердечной мышцы, они располагаются вдоль Z-линий, сближаясь или удаляясь друг от друга при изменении длины миофибриллы. Отходящие от клеточной поверхности десминовые филаменты располагаются по краям Z-дисков и, по-видимому, связывают их с прилегающей сарколеммой. Десминовые филаменты лишь окружают центральные области Z-дисков, но не проникают в них. В состав центральных областей входит, как и в сердечной мышце, а-актинин, актин и, кроме того, Z-белок. На периферии Z-дисков присутствуют, помимо десмина, один из ассоциированных с промежуточными филаментами белков синемин, актин-связывающий белок филамин и небольшое количество спектрина. От Z-линий под углом 90° отходят тонкие нити, образующие полосу I, они состоят из а-актина, скелетномышечных форм тропонинов Т, С и I и тропомиозина. Часть полосы I занимает линия N, содержащая небулин — очень большой миофибриллярный белок с мол. массой —500 кДа.

С тонкими нитями перекрываются толстые, миозиновые нити, содержащие тяжелые и легкие цепи миозина и С-белок с мол. массой 140 кДа. Кроме связывания с миозином С-белок способен к чувствительному к кальцию связыванию с полосой I. Существует несколько изоформ С-белка. Разные формы найдены в большой грудной мышце и в широчайшей мышце спины. Таким образом, как и с тяжелой цепью миозина, наблюдается специфичность изоформ С-белка по отношению к мышечным волокнам с разными физиологическими характеристиками. Гетерогенность по С-белку может, впрочем, обнаруживаться и в одном и том же волокне, и даже в пределах одного саркомера. Есть мышцы, в каждом саркомере которых присутствуют две формы С-белка. Центры толстых нитей располагаются по М-линии, которая содержит белок миомезин с мол. массой 165 кДа. Кроме того, в М-линии присутствует особая, мышечная форма креатинкиназы.

Организация миофибриллы и, возможно, костамеров должна, по-видимому, отвечать сократительной функции мышечных клеток. Это соображение отвлекает внимание исследователей от несократительных аспектов жизнедеятельности скелетных мышц. В мышечных клетках, однако, имеются помимо собственно сократительных и все другие органеллы, хотя их расположение и отличается от почти кристаллической упаковки саркомеров. Одна из наиболее интересных загадок, касающихся строения скелетных мышц, состоит в том, что, как показали опыты с антителами, специфичными по отношению к 7-актину, эта форма актина есть на митохондриях, но отсутствует в I-полосе саркомеров. 7-Актин обнаруживается также в субкортикальном слое клетки под плазматической мембраной.

Нужно отметить, что реальные скелетные миофибриллы не обладают такой кристаллической структурой, какую изображают на схемах. Регулярность мышцы является, скорее, статистической. Так, тонкие нити в одном и том же саркомере различаются по длине, причем размах колебаний может составлять 0,18—1,2 мкм.

Кроме того, ни Z-, ни М-линии не располагаются в мышцах взрослых особей с абсолютно строгой периодичностью. Таким образом, законы сборки сократительного аппарата мышцы не могут быть получены путем простой экстраполяции законов сборки бактериофагов: сборка в мышце не является строго линейным и детерминированным процессом с однозначно определенной конечной точкой, ее конечный результат — высокоупорядоченная, но не идеальная структура, и модели сборки саркомеров должны отражать этот факт.

Высокая степень регулярности строения мышц привлекла внимание к процессу их развития как к модели для изучения путей возникновения пространственной организации. Перераспределение некоторых мышечных белков во время развития мышц прослежено в деталях. Так, а-актинин в развивающихся скелетномышечных клетках расположен сначала так же, как в фибробластах и гладкомышечных клетках, т. е. в виде точечных скоплений вдоль волокон натяжения, а примерно на четвертый день, когда начинается формирование саркомеров, он обнаруживается в центральных областях Z-дисков. На ранних стадиях развития культивируемых мышечных клеток филамин тоже распределен, как в фибробластах, т.е. вдоль волокон натяжения; затем он на несколько дней исчезает, а потом появляется на периферии Z-дисков. В период исчезновения филамина происходит переключение его экспрессии: на ранних стадиях синтезируется белок, сходный с филамином фибробластов и гладких мышц или даже идентичный ему, а тот белок, который появляется позднее и локализуется на периферии Z-дисков, является уже другой, отличающейся по своим биохимическим свойствам формой филамина. Десмин не обнаруживается в мышечных клетках до тех пор, пока они не перестают делиться и не начинают экспрессировать специфические мышечные белки. В одноядерных миобластах десмин образуется лишь в небольшом количестве, синтез его происходит главным образом в многоядерных мышечных трубках. В течение первых нескольких дней после начала его экспрессии десмин выявляется в мышечных клетках в виде системы филаментов, сходной, например, с сетью виментиновых филаментов в фибробластах, а примерно к восьмому дню — на день позже филамина и на несколько дней позже а-актинина — он появляется на периферии Z-дисков, и с этого момента его расположение становится согласованным с расположением саркомеров.

На всех стадиях развития мышцы содержат миозин. На самых ранних стадиях это, однако, цитоплазматическая, характерная для фибробластов форма миозина, и распределена она так же, как в фибробластах: в волокнах натяжения (с едва заметной прерывистостью) и по периферии клетки, в примембранном слое. Такое расположение сохраняется и в развивающихся мышечных трубках с той разницей, что волокна натяжения локализуются в трубках в основном на их концах. Середину же трубок занимает специфический мышечный миозин, который в зависимости от степени зрелости мышцы обнаруживается либо в виде не обладающих прерывистостью филаментов, либо в составе саркомеров. То, что одна и та же изоформа тяжелой цепи миозина действительно меняет свое расположение в мышцах эмбрионов по мере их развития, убедительно доказывается опытами с моноклональными антителами.

Для правильного развития мышцы важное значение имеют два несократительных белка. На протяжении всего развития в ней присутствуют тубулин и микротрубочки. Микротрубочки ориентированы обычно параллельно длинной оси развивающейся мышечной клетки, нарушение их функционирования отрицательно сказывается на мышечном развитии (к этому вопросу мы еще вернемся позднее). Другой несократительный белок развивающейся мышечной клетки — это виментин. В диффузно распределенном виде он сохраняется в клетке даже после начала формирования саркомеров и появления в них а-актинина. Характер распределения виментина в мышце остается, впрочем, предметом споров. Одна группа исследователей находит виментин в Z-дисках, причем примерно тогда же, когда в них есть и десмин. Однако двум другим лабораториям обнаружить виментин в саркомерах не удается.

Возможные источники указанного противоречия интересно проанализировать с точки зрения сильных и слабых сторон иммунофлуоресцентного метода выявления белков. Положительный результат при иммунофлуо-ресцентном окрашивании объекта указывает на присутствие в нем одного или нескольких из следующих белков: 1) исследуемого антигена; 2) иммунологически родственного, но биохимически отличного антигена; 3) антигена, загрязнявшего препарат, использованный для иммунизации; 4) белка, являющегося сильным неспецифическим адсорбентом для любого антитела. Негативный результат окрашивания может быть обусловлен следующими причинами: 1) отсутствием антигена в окрашиваемом препарате; 2) недоступностью антигена для антител; 3) чрезмерно жесткими условиями окрашивания. К сожалению, не существует метода окрашивания, который полностью исключал бы возможность ложноположительных и ложноотрицательных результатов, ибо контрольные окрашивания, необходимые для обеспечения надежности выводов, сами подвержены влиянию перечисленных выше факторов. Учитывая сказанное, можно предложить следующие гипотезы для объяснения неоднозначности данных относительно распределения вименти-на в мышечном волокне: 1) Z-диски мышечных клеток — как в культуре, так и у взрослых особей — содержат специфическую мышечную форму виментина, поэтому исследователи, которые располагают антителами широкой специфичности, могут выявить виментин в Z-дисках, тогда как другие, использующие в своих опытах антитела, которые распознают только виментин фибробластоидного типа, — не могут; 2) Z-диски вообще не содержат виментина, а положительная иммунофлуоресцентная картина является результатом того, что используемые виментиновые антитела имеют некоторое сродство к десмину, либо обладают к Z-дискам сильным неспецифическим сродством, не скомпенсированным путем правильного выбора условий окрашивания; 3) мышцы, исследовавшиеся разными группами, отличались друг от друга по характеру их развития. Какой из этих вариантов имеет место в действительности, можно будет установить только путем обмена антителами и сопоставления условий, в которых проводилось окрашивание ими.

Мышечные клетки обладают специализированным цитоскелетом, приспособленным для осуществления сокращения; сильно развитая система микрофиламентов заполняет в этих клетках все внутреннее пространство, а не только клеточный кортекс. Специализация достигается путем использования специфических мышечных изоформ белков и специфической организации их в клетках. В какой мере различия в организации обусловлены биохимическими различиями между белковыми компонентами, пока неизвестно. Ясно, однако, что в мышцах всех классов, включая и скелетные поперечнополосатые мышцы, цитоскелет представляет собой динамичную, развивающуюся структуру, непрерывно перестраивающуюся в соответствии с предъявляемыми к ней требованиями.

Похожие материалы:

Эпителиальные и эндотелиальные клетки

Трансформированные клетки

Протисты

Вещества действующие на цитоскелет


   
© Медицинские науки. Перепечатка материалов сайта без действующей обратной ссылки запрещена!