Сегодня мы отмечаем день рождения Владимира Александровича Энгельгардта, который в 1939 году вместе со своей супругой М.Н. Любимовой открыл механизм снабжения энергией мышечных волокон и их сокращения. Работы Энгельгардта легли в основу теории скользящих нитей, объясняющей, каким образом наши мышцы сокращаются и выполняют различную работу. MedAboutMe разбирался в механизме этого процесса, а также выяснял, что будет, если что-то в нем пойдет не так?
Как работают мышцы тела?
Не вдаваясь в нюансы строения мышечного волокна, укажем на главный принцип мышечного сокращения. В волокне есть так называемые толстые нити (в основном, это белок миозин) и тонкие нити (белки тропомиозин, актин и тропониновый комплекс), которые чередуются и имеют связь друг с другом через поперечные мостики. При мышечном сокращении или расслаблении нити движутся, скользят относительно друг друга, то укорачивая отдельные блоки миофибрилл (саркомеры), то возвращая им первоначальную длину (в расслабленном состоянии).
Чтобы запустить движение тонких нитей между толстыми, нужна энергия в виде АТФ. Причем отдельно взятый миозин с трудом справляется с АТФ, а вот если он образует с актином актомиозиновый комплекс, то его активность повышается в 200 раз, и он обеспечивает мышечное сокращение, шустро расходуя при этом АТФ.
Чтобы запустить процесс сокращения мышечного волокна, необходим электрический импульс. Он передается по нервным отросткам к поверхности волокна. Электрический импульс возникает при имеющейся разнице потенциалов по обе стороны клеточной мембраны. Эта разница образуется за счет многочисленных ионных каналов, которыми пронизана мембрана клетки. Ионы натрия, калия, кальция, хлора и некоторые другие курсируют сквозь мембрану и тем самым создают разницу потенциалов или, наоборот, нивелируют ее. Так, активация натриевых каналов способствует появлению разницы потенциалов, а калиевых — ее исчезновению.
Собственно передача импульса происходит путем смещения этого мембранного потенциала в нужном направлении. Когда этот потенциал действия добегает по мышечному волокну до его центра, он проникает внутрь миоцита по системе Т-трубочек и активирует сокращение мышцы.
Важный момент: после сокращения мышце необходимо восстановить исходное состояние — расслабиться. Если не давать ей это делать, а атаковать раз за разом электрическими импульсами, у нее разовьется контрактура — сокращение без расслабления.
Болезни ионных каналов — миотонии
Существует обширная группа болезней, которые называются каналопатиями. Как следует из названия, речь идет о заболеваниях, связанных с нарушением работы ионных каналов.
Например, есть целый ряд генных мутаций, которые приводят к своего рода «протечке» натриевых каналов. С одной стороны клеточной мембраны накапливается слишком много ионов Na+, что заставляет клетку постоянно находиться в возбужденном состоянии, то есть в состоянии мышечного сокращения. Как результат, у человека развиваются судороги и слабость мышц.
Есть и другие мутации, например, влияющие на работу калиевых каналов. И тогда мышечные волокна теряют способность сокращаться — у человека развивается паралич. Таким пациентам даже нельзя есть продукты с высоким содержанием калия — курага, изюм и др.
У людей и лошадей встречается гиперкалиемический периодический паралич — необычное заболевание, которое, несмотря на название, вызвано мутацией, влияющей именно на натриевые каналы. Они не полностью отключаются после мышечного сокращения, и это не дает мышечным волокнам полностью расслабиться. Мышцы непрерывно сокращаются, что со временем даже придает больным животным и людям атлетические формы. В какой-то момент потенциал на мембране снижается настолько, что каналы закрываются, и у пациента развивается паралич, потому что мышцы больше не в силах возбуждаться.
Следует также упомянуть врожденную парамиотонию (она же холодовая или парадоксальная миотония), причиной которой является очередная мутация гена, кодирующего альфа-субъединицы натриевых каналов скелетных мышц. При этом заболевании под действием холода (или избытка калия) тоже развивается нарушение работы натриевых каналов, мышечная ригидность («жесткость», невозможность расслабления) и через некоторое время — потеря способности мышцы сокращаться, при этом развивается парез, слабость мышц. У младенцев эта болезнь может проявляться при умывании лица холодной водой — ребёнок после этого долго не может открыть глаза. А взрослый может выйти во двор убирать снег и оказаться не в силах разжать руки на черенке снегоуборочной лопаты. Период такого сокращения мышц может составлять от 15 минут до нескольких часов, а следующий за ним парез — до нескольких суток.
Мутации генов, кодирующих белки хлоридных каналов, становятся причиной и других вариантов миотонии. При врожденной миотонии единственный электрический импульс, добегающий по нервному отростку до мышечного волокна, вызывает не один, а десятки, сотни импульсов, запускающих такой мощный процесс возбуждения, что человек деревенеет, застывает неподвижной скульптурой после первого же движения.
Злокачественная гипертермия — смерть под наркозом
Одним из самых непредсказуемых и опасных состояний, связанных с мышечным сокращением, является злокачественная гипертермия. Это редкое заболевание, о котором никто не знает до тех пор, пока не испытает его на себе в момент дачи наркоза. В Т-трубочках, упоминаемых выше, расположены кальциевые каналы. От них электрический импульс передается на рианодиновые рецепторы, которые активируют процессы выхода кальция и запуска мышечного сокращения. Если у человека есть определенная мутация гена, который кодирует рианодиновые рецепторы — он рискует умереть от злокачественной гипертермии.
Исследования показали, что у людей с такой мутацией слишком много рианодиновых рецепторов. При общем наркозе обычно применяют миорелаксанты. Но у больного человека при этом кальциевые каналы открываются и не закрываются, приводя к масштабному выбросу кальция. Как результат, развивается непроизвольное мышечное сокращение и неконтролируемый всплеск метаболических реакций в мышцах. Это приводит к огромным расходам АТФ и скачкообразному росту температуры — на 1°С каждый 5 минут. Температура быстро становится критической для белков тела, при 43°С развивается остановка работы сердца и человек умирает.
Остановить такой приступ можно с помощью единственного препарата — Дантролена. Он блокирует рианодиновые рецепторы и расслабляет мышцы. В России на сегодняшний день данный препарат не зарегистрирован. Поэтому злокачественная гипертермия, которая может развиться у человека даже при несложном хирургическом вмешательстве, для российских граждан — смертельное заболевание. Относительное утешение можно найти в том, что это действительно очень редкая патология: 1 случай на 60-220 тысяч случаев наркоза в зависимости от применяемых препаратов.
Добавим, что проверить человека на наличие данной мутации в нашей стране также не возможно. Галотан-кофеиновый контрактурный тест можно сделать только за границей.
- Болезни, связанные с нарушением процесса мышечного сокращения, встречаются относительно нечасто. Все они являются наследственными, а это значит, что если у кого-то из родственников была миотония, то болезнь может проявить себя и у его потомков.
- Что касается истории с Дантроленом, то учитывая стоимость упаковки лекарства в 1300-1400 долларов и ограниченный срок хранения, запастись им невозможно. Остается надеяться, что рано или поздно препарат в России будет зарегистрирован и все клиники получат его для таких экстренных ситуаций.
