Одиночное сокращение и тетанус: механизм мышечной силы

Скелетная мышца не всегда сокращается одинаково: ответ на одиночный нервный импульс разительно отличается от реакции на высокочастотную стимуляцию. В основе этого различия лежат суммация механических ответов и накопление внутриклеточного кальция. Понять это соотношение - значит разобраться в том, как нервная система управляет силой движения.

Одиночное мышечное сокращение - фазы твитча

Одиночное сокращение (твитч, twitch) - это ответ мышечного волокна на одиночный потенциал действия мотонейрона. На миографической записи хорошо видны три последовательные фазы.

Латентный период составляет 1-3 мс и включает время проведения потенциала действия по мембране мышечного волокна, диффузию сигнала через Т-трубочки и высвобождение $\mathrm{Ca}^{2+}$ из саркоплазматического ретикулума. Собственно механического движения ещё нет.

Фаза укорочения (напряжения) длится 20-100 мс в зависимости от типа волокна. Ионы кальция связываются с тропонином-С, что сдвигает тропомиозин с активных центров актина. Поперечные мостики миозина начинают рабочий ход по механизму «скользящих нитей», и саркомеры укорачиваются. Сила нарастает до пика.

Фаза расслабления занимает 50-200 мс. Кальциевая АТФаза SERCA активно перекачивает $\mathrm{Ca}^{2+}$ обратно в ретикулум, концентрация иона падает ниже порогового значения (~$10^{-7}$ М), тропомиозин возвращается и закрывает центры связывания. Мостики разобщаются, мышца удлиняется под действием эластических элементов.

Рассчитать для своей задачи

Длительность фаз существенно зависит от типа волокна: у медленных окислительных (тип I) расслабление протекает вдвое медленнее, чем у быстрых гликолитических (тип IIx). Это следствие разных изоформ SERCA и тропомиозина.

Суммация сокращений и её условие

Если второй импульс приходит до полного расслабления, механический ответ суммируется с предыдущим. Условие суммации: интервал между стимулами меньше длительности одиночного твитча.

При этом концентрация $\mathrm{Ca}^{2+}$ в саркоплазме не успевает опуститься до базового уровня - «кальциевая крыша» остаётся поднятой. На неё накладывается новая порция кальция из ретикулума, и суммарная концентрация превышает пороговую дольше. В результате сила второго сокращения выше первого. Это явление называют суммацией или наслоением (wave summation).

Важно понять: суммируется не электрический сигнал (рефрактерный период не пройден), а только механический ответ. Каждый потенциал действия при этом нормальный, «не добавленный». Суммация - это исключительно механическое и кальциевое явление.

Зубчатый тетанус

При умеренной частоте стимуляции (обычно 15-30 Гц для медленных волокон, 50-80 Гц для быстрых) каждое новое сокращение начинается, когда предыдущее частично расслабилось. На миограмме хорошо видны отдельные «зубцы» - пики напряжения разделены неполными спадами. Это зубчатый (неполный) тетанус.

Сила при зубчатом тетанусе примерно в 2-3 раза выше одиночного твитча. Объяснение - непрерывная загруженность поперечных мостиков: часть мостиков, ещё не успевших разомкнуться, немедленно вступает в новый цикл, пока остальные только присоединяются.

На практике большинство произвольных движений реализуется именно в режиме зубчатого тетануса. Это подтверждается интерферограммами ЭМГ: даже при «плавном» движении частота моторных единиц - 8-20 Гц для медленных, 20-60 Гц для быстрых.

Гладкий тетанус - максимальная сила

При высокой частоте стимуляции (50-100 Гц для медленных, 100-200 Гц для быстрых) расслабления между импульсами нет вовсе. Концентрация $\mathrm{Ca}^{2+}$ постоянно высокая, все сайты тропонина насыщены, все поперечные мостики работают синхронно. Миограмма показывает ровное плато силы - гладкий (полный) тетанус.

$F_{\text{тет}} \approx 3{-}5 \cdot F_{\text{твитч}}$

Коэффициент 3-5 объясняется тем, что при одиночном твитче внутриклеточный $\mathrm{Ca}^{2+}$ успевает лишь частично активировать тропонин: лишь 20-30% сайтов связывания занято, остальные освобождаются до конца цикла мостика.

Рассчитать для своей задачи

Гладкий тетанус - это физиологический предел силы отдельной моторной единицы. Реальная максимальная сила мышцы достигается ещё и через рекрутирование дополнительных моторных единиц (принцип Хеннемана): сначала включаются медленные, затем быстрые.

Усталость и феномен «лестницы Боудича»

При повторных тетанических сокращениях сила постепенно снижается - развивается утомление. Механизмы: истощение креатинфосфата и гликогена, закисление (накопление $\mathrm{H}^+$ и лактата), снижение чувствительности тропонина к кальцию, нарушение реполяризации сарколеммы.

Есть и обратный феномен - лестница Боудича (феномен эффекта): при первых повторных одиночных стимулах сила нарастает ступенчато. Это связано с накоплением $\mathrm{Na}^+$ внутри волокна (первые деполяризации неполностью устраняются) и частичным «прогревом» кальциевых насосов. Как только ретикулум выходит на рабочий режим, лестница заканчивается и сила стабилизируется.

Подробнее об эффекте Боудича и лестнице Боудича - явление хорошо изучено на сердечной мышце, но наблюдается и в скелетной.

Электромеханическое сопряжение и роль кальция

Ключевое звено между электрическим сигналом и механическим ответом - электромеханическое сопряжение в скелетной мышце. Потенциал действия распространяется в глубь волокна по системе поперечных трубочек (Т-трубочки), достигает триад - контактов Т-трубочки с цистернами ретикулума.

Здесь расположен механочувствительный белок DHPR (дигидропиридиновый рецептор) в мембране Т-трубочки, который механически взаимодействует с рианодиновым рецептором (RyR1) ретикулума. Деполяризация меняет конформацию DHPR - и RyR1 открывается. Выброс $\mathrm{Ca}^{2+}$ происходит быстро: за 1-2 мс концентрация в саркоплазме возрастает с $10^{-7}$ до $10^{-5}$ М - в 100 раз.

Именно этот скачок концентрации и определяет, будет ли одиночный твитч или тетанус: при коротком межимпульсном интервале $\mathrm{Ca}^{2+}$ не успевает вернуться к $10^{-7}$ М, и последующий выброс суммируется с остаточным.

Типы мышечных волокон и параметры тетануса

Параметры одиночного сокращения и тетануса существенно различаются между типами волокон:

Быстрые волокна дают более кратковременные твитчи, поэтому им нужна более высокая частота для суммации. Медленные волокна экономнее, но развивают меньшую абсолютную силу.

Связано это и с активностью гамма-мотонейронов: гамма-мотонейроны и мышечное веретено регулируют чувствительность проприорецепторов и влияют на порог включения моторных единиц.

Рассчитать для своей задачи

Частые ошибки

• Путать суммацию с усилением одного потенциала действия. Каждый ПД одинаков по амплитуде - суммируется только механический ответ, а не электрический.
• Считать тетанус патологией. Физиологический тетанус - норма при любом произвольном движении. Патологический тетанус вызывает бактериальный токсин (тетаноспазмин), блокирующий торможение в ЦНС - это другое явление.
• Игнорировать зависимость параметров от типа волокна. «Критическая частота тетануса» - не единая константа, а диапазон, индивидуальный для каждого типа волокна.
• Смешивать рекрутирование и тетанус. Увеличение силы достигается двумя независимыми механизмами: учащением разрядов (тетанус) и вовлечением новых моторных единиц (рекрутирование). В норме оба работают одновременно.
• Забывать о роли SERCA. Скорость расслабления определяется не только обратным захватом кальция, но и его буферизацией парвальбумином (в быстрых волокнах).

FAQ

Почему одиночное сокращение слабее тетанического? При одиночном твитче концентрация $\mathrm{Ca}^{2+}$ быстро снижается и значительная часть поперечных мостиков разъединяется до завершения рабочего цикла. В тетанусе кальций удерживается на высоком уровне постоянно, и все мостики работают без перерыва - суммарная сила значительно выше.

При какой частоте наступает гладкий тетанус у человека? Для большинства скелетных мышц гладкий тетанус наступает при 50-100 Гц для смешанных мышц. На практике мотонейроны разряжаются с частотой 10-60 Гц - этого достаточно для зубчатого тетануса, обеспечивающего 80-90% максимальной силы. Настоящий гладкий тетанус при физиологических нагрузках редок.

Как связаны одиночное сокращение и хроноксия мышцы? Хроноксия мышцы - это минимальное время, за которое пороговый ток вызывает одиночный твитч. Чем короче хроноксия, тем быстрее нарастает потенциал действия и тем выше критическая частота тетануса. Медленные мышцы с большой хроноксией достигают тетануса при меньших частотах.

Коротко

Одиночное сокращение (твитч) состоит из трёх фаз - латентного периода, укорочения и расслабления, - запускаемых выбросом $\mathrm{Ca}^{2+}$ из саркоплазматического ретикулума. При повторных стимулах с интервалом меньше длительности твитча механические ответы суммируются: сначала формируется зубчатый тетанус, затем при нарастании частоты - гладкий. Сила при гладком тетанусе в 3-5 раз превышает одиночный твитч за счёт непрерывной насыщенности кальцием всех участков тропонина. Параметры тетануса индивидуальны для каждого типа мышечных волокон и определяются скоростью работы SERCA и изоформами регуляторных белков.