Зубчатый тетанус мышцы: суммация и механизм

Когда мышца получает одиночный нервный импульс, она коротко сокращается и расслабляется - это называется одиночным сокращением, или твитчем. Но в реальной жизни двигательные нейроны посылают не один импульс, а серию: каждый следующий стимул может застать мышцу ещё не расслабившейся. В этом случае новое сокращение «наслаивается» на остаток предыдущего - мышца суммирует усилия. При умеренной частоте стимуляции волны напряжения не успевают сгладиться, и на графике отчётливо видны зубцы - один на каждый стимул. Именно этот режим называют зубчатым тетанусом. Покрутите калькулятор ниже: он показывает, как меняется форма кривой напряжения при разных частотах, и наглядно демонстрирует границу между зубчатым и гладким тетанусом.

Одиночное сокращение и что происходит при повторном стимуле

Одиночное сокращение мышечного волокна разворачивается в три фазы: латентный период (1-2 мс, пока по волокну распространяется потенциал действия и выходит кальций из саркоплазматического ретикулума), фаза сокращения (10-50 мс, актин и миозин взаимодействуют, напряжение растёт) и фаза расслабления (50-100 мс, кальциевые насосы откачивают $Ca^{2+}$ обратно в ретикулум, поперечные мостики разъединяются).

Ключевой параметр - соотношение между полным временем одиночного сокращения и интервалом между стимулами. Если интервал больше, чем сумма всех трёх фаз (т. е. частота ниже примерно 10 Гц для скелетной мышцы), каждый твитч проходит полностью до следующего импульса. Как только интервал становится короче фазы расслабления, волокно ещё не успело вернуться в исходное состояние, когда приходит следующий стимул - остаточное напряжение к нему добавляется. Это и есть суммация - временная, или волновая, суперпозиция мышечных сокращений.

Рассчитать для своей задачи

Механизм зубчатого тетануса на молекулярном уровне

При зубчатом тетанусе каждый новый потенциал действия вызывает очередной выброс кальция из саркоплазматического ретикулума. Концентрация $[Ca^{2+}]$ в цитоплазме не успевает опуститься до базального уровня: насосы работают, но следующая порция кальция уже поступает. В результате концентрация колеблется около некоторого среднего значения, которое выше, чем при единственном стимуле.

Большинство кальция связывается с тропонином С - белком тонких нитей. Пока кальций занимает сайт связывания на тропонине, тропомиозин удерживается в открытом положении, обнажая участки миозин-связывания актина. Поперечные мостики продолжают работать даже тогда, когда концентрация $[Ca^{2+}]$ немного снижается: не все тропониновые сайты успевают освободиться. Поэтому суммарное число активных мостиков - а значит и напряжение - при повторных стимулах выше, чем при одном.

$F_{тетанус} = \sum_{n=1}^{N} F_{твитч}(t - t_n)$

где $t_n$ - момент $n$-го стимула, $F_{твитч}$ - нормированная форма одиночного сокращения. При зубчатом тетанусе слагаемые складываются не полностью (часть уже затухла), поэтому видны зубцы; при гладком тетанусе интерференция настолько плотная, что кривая сглаживается в плато.

Рассчитать для своей задачи

Зубчатый и гладкий тетанус: в чём разница

Граница между зубчатым и гладким тетанусом называется частотой слияния или критической частотой тетануса. Для быстрых (белых) волокон человека она составляет около 50-80 Гц, для медленных (красных, окислительных) - 20-40 Гц: медленные волокна расслабляются медленнее, поэтому их кривые «перекрываются» уже при меньшей частоте стимуляции.

Различие не только в форме кривой, но и в физиологическом значении:

• Зубчатый тетанус - промежуточный режим. Мышца развивает напряжение, существенно превышающее одиночный твитч, но ещё не достигает максимума. Характерен для движений умеренной силы и скорости.
• Гладкий тетанус - рабочий режим большинства скелетных мышц при удержании позы или выполнении плавных движений. Центральная нервная система регулирует не частоту «стрельбы» каждого нейрона, а количество активированных двигательных единиц.

Внешне гладкий характер произвольных движений достигается асинхронным набором двигательных единиц: пока одни работают в тетанусе, другие отдыхают и восстанавливаются.

Роль кальция и саркоплазматического ретикулума

Саркоплазматический ретикулум - внутриклеточный кальциевый резервуар мышечного волокна. В покое концентрация $[Ca^{2+}]$ в цитоплазме поддерживается на уровне около $10^{-7}$ моль/л, внутри ретикулума она в тысячи раз выше. Потенциал действия, пройдя по Т-трубочкам вглубь волокна, активирует рианодиновые рецепторы на мембране ретикулума - каналы мгновенно открываются и выбрасывают кальций в цитоплазму ($[Ca^{2+}]$ поднимается до $10^{-5}$ моль/л).

При высокой частоте стимуляции ретикулум не успевает полностью забрать кальций обратно до следующего потенциала действия. Это означает, что базовый уровень $[Ca^{2+}]$ между стимулами постепенно повышается - феномен накопления кальция. В итоге тропониновые сайты постоянно заняты, большинство поперечных мостиков работают без перерыва, и напряжение стабилизируется на высоком плато. Интенсивная нагрузка вызывает постепенное истощение кальциевого резервуара, что является одним из механизмов мышечного утомления.

Двигательные единицы и регуляция силы сокращения

Двигательная единица - это один мотонейрон и все мышечные волокна, которые он иннервирует. В мышцах точных движений (глазные, пальцевые) одна единица содержит 3-10 волокон, в крупных постуральных мышцах - тысячи волокон. ЦНС регулирует силу сокращения двумя способами:

1. Частотная модуляция - изменение частоты импульсов мотонейрона. При 5-10 Гц мышца работает в режиме одиночных сокращений, при 20-40 Гц - зубчатого тетануса, при >50 Гц - гладкого.
2. Рекрутирование - подключение дополнительных двигательных единиц. Малые медленные волокна рекрутируются первыми (принцип Хеннемана: «size principle»), крупные быстрые - только при значительных нагрузках.

В реальном движении оба механизма работают одновременно: сначала ЦНС повышает частоту уже активных единиц, затем добавляет новые. Например, при подъёме лёгкого предмета задействованы преимущественно медленные волокна на частоте зубчатого тетануса; при резком усилии быстро рекрутируются крупные быстрые единицы и частота возрастает до уровня гладкого тетануса. Именно слаженная работа этих двух механизмов делает движения человека плавными и точно дозированными по силе.

Частые ошибки

• Путаница с понятием «тетанус». Медицинский тетанус (болезнь, вызванная токсином Clostridium tetani) и физиологический тетанус мышцы - разные явления. Токсин блокирует тормозные синапсы, что приводит к постоянным неконтролируемым сокращениям. Физиологический тетанус - нормальный рабочий режим.
• Суммация и длительность стимула. Суммация зависит от частоты стимулов, а не от длительности каждого. Более длинный стимул не вызывает суммации - это делает только быстрое следование отдельных стимулов.
• Полное расслабление при гладком тетанусе. При гладком тетанусе мышца не полностью расслаблена - это распространённое заблуждение. Она удерживает высокое напряжение, пока стимуляция продолжается.
• Все волокна одинаковые. Частота слияния различается у быстрых и медленных волокон. Медленные окислительные волокна достигают слияния при более низкой частоте.
• КПД тетанического сокращения. Тетаническое напряжение не просто сумма отдельных твитчей: кальций накапливается, часть поперечных мостиков работает без рассоединения, поэтому энергетическая стоимость единицы напряжения ниже, чем при многократных одиночных сокращениях.

FAQ

Чем зубчатый тетанус отличается от гладкого? При зубчатом тетанусе частота стимуляции ниже критической: каждое сокращение начинается до полного расслабления предыдущего, но частичное расслабление всё же происходит - отсюда зубцы на графике. При гладком тетанусе (частота выше критической) отдельные зубцы сливаются в непрерывное плато: мышца удерживает постоянное максимальное напряжение без видимых колебаний.

Почему напряжение при тетанусе выше, чем при одиночном сокращении? При высокой частоте стимулов ионы $Ca^{2+}$ не успевают полностью откачиваться обратно в саркоплазматический ретикулум. Концентрация $[Ca^{2+}]$ в цитоплазме остаётся повышенной - больше тропониновых сайтов занято, больше поперечных мостиков работают одновременно. Кроме того, при остаточном напряжении нити актина и миозина уже частично перекрыты, и новому сокращению требуется меньше времени на преодоление инерции.

Какова физиологическая роль зубчатого тетануса? Зубчатый тетанус - промежуточный режим между одиночным сокращением и гладким тетанусом. Он обеспечивает более плавное и сильное сокращение по сравнению с отдельными твитчами, но не требует столь высокой частоты стимуляции, как гладкий тетанус. Именно в этом режиме скелетная мышца работает при умеренных нагрузках - например, при быстрой ходьбе или поддержании позы с небольшим усилием. ЦНС выбирает диапазон частот, создающий нужное усилие с учётом утомляемости мышцы.

Коротко

Зубчатый тетанус мышцы возникает, когда повторные стимулы приходят до полного расслабления предыдущего сокращения: остаточное напряжение суммируется с новым, и на графике видны характерные зубцы. Молекулярный механизм связан с накоплением ионов $Ca^{2+}$ в цитоплазме - тропониновые сайты остаются занятыми, большинство поперечных мостиков работают без перерыва. При дальнейшем росте частоты стимуляции зубцы сливаются в гладкое плато (гладкий тетанус) - это рабочий режим большинства произвольных движений. ЦНС регулирует силу сокращения двумя путями: частотой импульсов к уже активным волокнам и рекрутированием дополнительных двигательных единиц.