Теперь, понимая строение саркомеров, мы можем детально рассмотреть цикл работы актин-миозиновых мостиков приводящий к сокращению мышц.

Отдельного упоминания здесь стоит действие ионов кальция (Ca²⁺). В мышечных волокнах они влияют на многое, но для рабочего цикла, их ключевая роль заключается в регуляции связи актина и миозина через тропонин-тропомиозиновый комплекс и в активации титина. Об этом мы говорили в предыдущих темах.

Кроме того, Ca²⁺ регулирует подвижность головок миозина через его легкие цепи. Что делает работу миозина чуть более эффективной. Работает этот механизм также как и в гладких мышцах, где для сокращения он основной. Ca²⁺ активирует киназу легких цепей миозина через кальмодулин.

Также стоит упомянуть и ионы магния (Mg²⁺). Поскольку они периодически встречается в статьях и на схемах по рабочему циклу, и без комментария могут оставить много вопросов. У Mg²⁺ тоже есть разные роли, но ключевая для этой темы заключается в образовании комплекса MgATP, необходимого для устойчивой связи АТР с миозином.

АТФ, в свою очередь – это источник энергии для сокращения.

Таким образом, Mg²⁺ обеспечивает связь с источником энергии. При этом, его концентрация в клетках практически однородна, и доступность MgATP определяется доступностью АТФ. А Ca²⁺ кальция жестко регулируется и сильно различается в зависимости от состояния мышц. И наоборот, состояние мышц сильно зависит от концентрации кальция.

Теперь, о самом цикле. Будучи с помощью Mg²⁺ присоединенным к Миозину, АТФ освобождает энергию, в реакции гидролиза расщепляясь на АДФ и Ф.

Гидролиз АТФ приводит миозин в высокоэнергетическое состояние (на языке биологии - высокоэнергетическую конформацию, т.е. меняет форму миозинового белка). Эту энергию активной конформации можно сравнить с потенциальной энергией растянутой пружины. Но «срабатывание пружины», высвобождение энергии, требует отделения АДФ и Ф, что крайне затруднено без взаимодействия с Актином.

Объясняется это ограничение механически. Если «пасть» миозна, которой он хватается за актин, открыта, то зона, через которую могут высвободиться Ф, и затем АДФ, ее называют АТФ-азным (нуклеотидным) карманом, закрыта. Когда же пасть закрывается, захватывая актин, карман открывается и Ф с АДФ свободно высвобождаются из связи.

Этот механизм миозина называют lock’n roll, что дословно переводится как «закрытие и вращение», подразумевая что сначала должна закрыться пасть, и только затем может произойти движение миозина. Также, физиологи говорят о нем «закрой пасть и держи карман шире».

Благодаря такому механизму, в расслабленной мышце, где нет связи актин-миозин, гидролиз хоть и проходит свободно, но практически не может завершиться, и это замедляет реакцию гидролиза на 3 порядка (в 1000 раз). Поэтому в расслабленных мышцах, расхода АТФ практически не происходит.

Итак, процесс мышечного сокращения начинается из-за повышения концентрации кальция в саркоплазме, что приводит к смещению тропомиозина с участков связывания на актине. Миозин получает возможность связаться с актином и образует прочную связь.

Здесь стоит сказать, что миозин всегда стремиться войти во взаимодействие с актином. В не активных волокнах, когда центры связывания на актине закрыты, миозин (теми головками которые не спрятаны) крепится к актину хаотично, под разными углами, ему негде надежно закрепиться и он быстро отцепляется. Это короткое, но постоянно происходящее состояние называется состоянием слабой связи.

В случае же доступного участка связывания миозин мгновенно захватывает актин, выравнивается под удобным для сокращения углом и переходит в состояние сильной связи.

Такое соединение, А-М-AДФ-Ф высокоэнергетическое, и оно приводит к тому, что форма головки миозина из-за закрытия пасти меняется, на ней образуется АТФ-азный карман, и через него высвобождается Ф, что приводит к «срабатыванию энергетической пружины», происходит так называемый рабочий ход / силовой импульс. Вращательным движением головки миозина протягивают актин к центру саркомера.

Затем высвобождается и АДФ, завершая рабочий ход. После этого, миозин попадает в низкоэнергетическое состояние.

Его связь с актином, без энергопосредников, очень прочна и может быть разомкнута только с присоединением к миозину новой молекулы АТФ.
Обычно, в клетке живой мышцы АТФ в избытке, в этом состоянии миозиновая головка пребывает недолго. Цикл переходит на следующий этап.

Но, если молекулы АТФ не могут ресинтезироваться достаточно быстро, то размыкание мостиков и весь цикл замедляются. Чем больше – тем меньшую силу могут развивать мышцы. Проявляется утомление. Это далеко не единственный фактор утомления, но один из наиболее распространенных.

При гибели же организма концентрация АТФ также снижается, но без возможности восстановиться. И когда ее снижение переходит критический уровень, поперечные мостики остаются намертво прикрепленными к актиновой нити. Такую мышцу проще порвать, чем растянуть. Это состояние называется трупным окоченением. И продолжается до тех пор, пока не произойдет автолиз (саморастворение молекул).

Понимание этого эффекта позволяет криминалистам определять время смерти по состоянию тела. По таблицам, с учетом окружающей температуры и ряда других факторов рассчитывается оно довольно точно.

Этап прочного соединения актина с миозином называется “ригор”, от латинского “ригор мортис” - трупное окоченение.

В нормально же работающих мышцах, в живом теле, АТФ свободно присоединяется к миозину и мостики размыкаются.

Отметим, что на этой стадии АТФ не расщепляется, то есть, служит не источником энергии, а только модулирующей молекулой, ослабляющей связь миозина с актином.

Если в цитоплазме сохраняется высокая концентрация Са²⁺, то рабочий цикл продолжается. АТФ гидролизуется, мостики замыкаются, совершают рабочий ход и соединяясь с новой молекулой АТФ снова размыкаются. Это, в основном, зависит от того, продолжается ли нервная стимуляция.

По всей цепи актина много головок миозина. Каждая работает в своем ритме. Одни присоединены, другие отсоединены, третьи гребут. Поэтому, пока идет сигнал на сокращение мышц, каждая головка миозина может совершить множество гребков.

При этом, благодаря упругости поперечных мостиков, саркомер может развивать силу даже без скольжения, при работе в статике.

Механическая работа, то есть перемещение объекта под действием силы, в этом случае все равно происходит. Но не на уровне всей мышцы, а внутри саркомеров, через изменение их структуры.

На начальном этапе саркомеры немного стягиваются за счет натяжения дисков и соединительных тканей. А затем, мышечное напряжение создается уже за счет повторного прикрепления поперечных мостиков на одних и тех же участках актиновых нитей. При этом, саркомеры скручиваются в области дисков, а циклы замыкания-размыкания происходят непрерывно, с расщеплением молекул АТФ.