3.4.3 Микроструктура мышцы и механизм её сокращения

Структурной единицей мышцы является мышечное волокно. Его длина – несколько сантиметров, а в поперечнике 0,1 – 0,2 мм. Сократительными элементами волокна являются мышечные фибриллы. В одном мышечном волокне насчитывается от 1000 до 2000 и более нитей фибриллов. Они располагаются в волокне хаотично и частично группируются в пучки. Под влиянием спортивной тренировки такое упорядочение особенно выражено. В этом случае мышца может развивать большие силовые напряжения.

Фибриллы под микроскопом выглядят поперечно исчерченными. Это вызвано тем, что в состав нитей фибриллы входят нити двух белков с различными оптическими свойствами: миозина и актина. Нити белка миозина более толстые и выглядят темней, нити белка актина тоньше и светлее. В фибрилле эти белки частично взаимно проникают в пространство друг друга. При сокращении мышцы нити актина как бы скользят между нитями миозина, при расслаблении происходит обратная картина.

Энергия для такого относительного перемещения белков поступает от расщепления адинозинтрифосфорной кислоты (АТФ) – фосфорного соединения, легко растворимого в воде и находящегося в структурах мышцы. АТФ расщепляется на АДФ (адинозиндифосфорную кислоту) и ортофосфат: АТФ=АДФ+Н₃РО₄. Затем АТФ посредством серии других химических преобразований с использованием кислорода, поступающего в клетки мышцы через кровь, восстанавливается и белковый комплекс опять готов к сокращению

Белковые молекулы – это гиганты в микромире. Молекулярный вес белка миозина составляет 420000 единиц, а актина – 75000, в то время как молекулярный вес водорода – 2 единицы, воды – 18. Сейчас достоверно установлено, что втягивание нитей актина между нитями миозина происходит не гладко, а мгновенными перескоками – квантами. Он составляет по величине примерно 50 ангстрем. Во время такого перескока энергия, принятая от молекул АТФ, высвобождается в виде звуковой волны (щелчка) – фонона в каждом элементе актомиозина. Таким образом, можно считать, что распространение большого числа одинаковых фононов представляет собой обычную деформацию тела, в частности, сгибательные или разгибательные движения в суставах человека.

Считают, что реакция расщепления АТФ, преобразующаяся в механическую энергию деформации актомиозинового соединения, обратима и весь процесс имеет колебательный характер. Накопленная при такой деформации энергия способствует восстановлению АТФ. В качестве простых объектов такой природы указываются, например, непрерывные колебания ресничек мерцательного эпителия. Следовательно, восстановление АТФ после одного цикла за счет других энергосодержащих соединений необходимо только при совершении какай-то работы.

Квантовые процессы имеют вероятностную природу. Поэтому перескоки одного белка относительно другого тоже носят случайный характер. Таких ступенчатых переходов может быть не один, а несколько. Каждая ступенька определяет состояние актомиозинового комплекса (саркомера), а их в каждой миофибрилле множество. Таким образом, изменение состояния саркомеров всех миофибрилл, входящих в мышечные волокна, представляет необозримое поле микродвижений миллионов саркомеров внутри мышцы, и только их совместная, синхронная работа могла бы привести к известному мышечному сокращению и к зримым суставным движениям.

Опытные данные о статистической работе мышц тоже показывают, что расслабленные мышцы могут передать на костные рычаги тягу только случайного характера, а напряженные – упорядоченное, почти правильной синусоидальной формы.

Так как же происходит упорядочение хаотического движения отдельных двигательных элементов внутри мышцы?

Возможных механизмов такой синхронизации деятельности саркомеров несколько. В качестве подобных синхронизаторов рассматриваются, во-первых, электромагнитное поле вокруг молекул белка, во-вторых, изменение химического состава среды, в которой находятся саркомеры, в-третьих, акустическое поле, создаваемое самими макромолекулами.

Все эти взаимодействия – электрические, химические и механические – формируются внутри самих макромолекул. Естественно предположить, что подобные воздействия, поступающие извне, тоже приведут к сходным явлениям синхронизации внутри сакркомеров. И, действительно, саркомеры изменяют свою длину, когда к ним из ЦНС поступают электрические импульсы или на мышцы действуют током из других внешних источников. Миофибриллы с множеством саркомеров в них сокращаются, когда их помещают в свежий раствор АТФ, то есть изменяют химическую среду, в которой они располагаются.

Остается вопрос о существовании третьего – механического источника синхронизации. Действительно, во время движения (деформации мышц) низкочастотные механические импульсы (фононы) в виде упругих волн следуют от сухожилий мышцы к ее волокнам и от них – к миофибриллам и саркомерам и притом в такой направленности, в какой сами сакромеры излучают фононы. Значит, они могли бы способствовать синхронизации, упорядочению сократительной деятельности саркомеров и, следовательно, всей мышцы, изменять химизм в мышце. Через все это – прямая дорога к другим важным функциям жизнедеятельности организма. Ведь, как говорил И. М. Сеченов, все проявления жизнедеятельности в конечном счете связаны с мышечной деятельностью.

Итак, мы видим, что звуковые явления в мышцах обусловлены переходами в саркомерах. Они создают вокруг себя своеобразное акустическое поле. Существует даже мнение, что именно это поле совместно с электромагнитным полем и является давно обсуждаемым в популярной литературе биологическим полем. Оно может служить в организме для согласования работы отдельных молекул белка, органелл в клетках (например: таких, как фибриллы), самих клеток и их совокупностей, а также деятельности сообществ достаточно малых живых организмов.