Регуляция сокращения

Характерной отличительной особенностью гладких мышц является способность функционировать при низких концентрациях внутриклеточного Са²⁺ и с минимальными затратами АТФ. Механизмы, лежащие в основе этих явлений, в настоящее время очень активно изучаются, однако многое остается не ясным.

Сила сокращения гладкой мышцы зависит как от внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺, так и от чувствительности сократительного аппарата к ионам Са²⁺. Каждая гладкомышечная клетка способна длительно поддерживать различное по силе сокращение. Сила сокращения гладкой мышцы в значительной степени зависит от относительного баланса между фосфорилированием и дефосфорилированием легких цепей миозина. Скорость фосфорилирования легких цепей миозина регулируется комплексом Са²⁺-кальмодулин, который в свою очередь зависит от уровня внутриклеточного Са²⁺. Однако сила сокращения гладких мышц не всегда однозначно зависит от уровня цитозольного Са²⁺. Разные агонисты могут вызывать различное по силе сокращение на фоне сходного повышения концентрации внутриклеточного Са²⁺. С другой стороны, одинаковая сила сокращения может сопровождаться разным уровнем цитозольного Са²⁺. Вероятнее всего это связано с множественностью и разнообразием путей активации сокращения в гладкой мышце [2, 30, 260, 321, 343, 345].

Существует несколько причин, по которым гладкомышечная клетка может регулировать уровень внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺ более эффективно, чем скелетная и сердечная мышца. Во-первых, некоторые гладкомышечные клетки не генерируют потенциал действия и мембранный потенциал изменяется медленно в ответ на действие нейротрансмиттера или гормона. Это дает возможность регулировать поступление ионов Са²⁺ через потенциал-зависимые каналы. Во-вторых, освобождение ионов Са²⁺ из внутриклеточных источников может модулироваться внутриклеточным вторичным посредником инозитол-1,4,5-трифосфатом. Существует еще один источник повышения внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺ в гладкой мышце – митохондрии. Имеются основания считать, что роль митохондриального Са²⁺ заключается в модификации активности цикла Кребса во время физиологических ответов.

Сила сокращения также может модулироваться изменением чувствительности к ионам Са²⁺ белков, которые регулируют сокращение. Это происходит с участием множества биологически активных соединений и вторичных посредников, таких как диацилглицерол, арахидоновая кислота, ц-АМФ и ряд других, которые через активацию серин-треониновых и тирозиновых протеинкиназ и низкомолекулярных ГТФ-связывающих белков (Rho, Ras и т.п.) могут изменять соотношение активностей киназы и фосфатазы легких цепей миозина. Например, действие некоторых нейротрансмиттеров основано на ингибировании фосфатазы, которое возникает при активации комплекса рецептор - G белок. В свою очередь, ингибирование фосфатазы легких цепей миозина нарушает баланс между фосфорилированием и дефосфорилированием, приводя к более высокой силе сокращения при относительно низкой внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺ [63, 301].

Другим механизмом является изменение чувствительности киназы легких цепей миозина к ионам Са²⁺. Активность киназы легких цепей миозина подавляется несколькими протеин-киназами (протеинкиназа А, протеинкиназа С и Са²⁺-кальмодулин-зависимая киназа). Фосфорилирование любой из этих киназ приводит к понижению чувствительности киназы легких цепей миозина к активации ее комплексом Са²⁺-кальмодулин [283].

Кроме киназы легких цепей миозина в гладкой мышце существуют альтернативные протеинкиназы, которые способны фосфорилировать легкие цепи миозина, активировать АТФазу гладкомышечного миозина и инициировать сокращение – это Rho-киназа (активируемая Rho-ГТФ) и MAPKAP-киназа 2 (активируемая миген-активируемой протеинкиназой) [168, 174]. Причем для активации этих киназ не требуется участие комплекса Са-кальмодулин, т.е. они могут осуществлять запуск сокращения без значительного повышения уровня цитозольного Са²⁺.

Существуют гладкие мышцы (воротная вена и аорта хорька), которые могут сокращаться без повышения уровня цитозольного кальция – так называемое Са-независимое сокращение [343]. Считается, что в подобном типе сокращения участвует протеолитический фрагмент киназы легкой цепи миозина с сохраненной каталитической активностью, но с утраченным кальмодулин-связывающим и аутоингибирующим доменом [144, 155]. Кроме того, открыты изоформы фермента протеинкиназы С, которые демонстрируют не зависимую от Са²⁺ протеинкиназную активность [343]. Вероятнее всего, в гладкой мышце существует несколько альтернативных сигнал-проводящих путей, каждый из которых вносит свой вклад в общий сократительный ответ.

Одной из основных особенностей гладкой мышцы является то, что она способна к длительному сокращению – тоническому напряжению. Если бы гладкая мышца использовала энергию АТФ аналогично скелетной мышце, то энергетические затраты были бы весьма значительными, что привело бы к быстрому утомлению. Поэтому в отличие от скелетной мышцы, гладкая мышца способна генерировать высокую силу сокращения при низкой скорости гидролиза АТФ и при низком уровне фосфорилирования киназы легких цепей миозина. Это сочетание низких-энергетических затрат и высокой силы сокращения определяется как latch-state («защелкнутое состояние») [217, 222, 265, 286, 342].

Состояние latch-state является уникальным свойством гладкой мышцы, так как сила сокращения может поддерживаться, несмотря на уменьшение степени активации мышцы возбуждающим стимулом. Полагают, что именно тоническое напряжение лежит в основе спастического сокращения сосудистых и висцеральных гладких мышц.

Существует ряд гипотез, объясняющих механизмы тонического напряжения гладкой мышцы. Согласно одной из них, в основе latch-state лежит изменение кинетики формирования и разъединения поперечных мостиков между актином и миозином. Эти изменения могут быть непосредственным результатом уменьшения скорости с которой разъединяются дефосфорилированные мостики. Напряжение мышцы напрямую зависит от количества образовавшихся поперечных мостиков. Количество связанных головок миозина зависит от соотношения скоростей прикрепления поперечных мостиков и их разъединения. Поэтому резонно предполагать, что уменьшение скорости разъединения мостиков будет сопровождаться большим количеством прикрепленных поперечных мостиков. Это позволяет уменьшить скорость цикла образования и разъединения поперечных мостиков, и, соответственно, гидролиз АТФ. В результате гладкая мышца обладает способностью снижать скорость цикла образования и разъединения поперечных мостиков. В скелетной мышце это возможно только в условиях низкого уровня АТФ [222, 223].

Согласно другой гипотезе механизм тонического сокращения рассматривается как своеобразное «замораживание» сокращенного состояния с помощью специальных белков-сшивок. В настоящее время считается, что на роль таких белков, обладающих способностью перешивать филаменты сократительного аппарата и цитоскелета, претендуют актин-связывающий белок филамин, α-актинин, трансгелин, а также белки промежуточных филаментов десмин и виментин [259]. Однако, интересно отметить, что в некоторых гладких мышцах состояния latch-state не наблюдается [121, 125].

Таким образом, для большинства гладких мышц в основе регуляции силы сокращения гладкой мышцы лежит уровень внутриклеточного кальция и баланс между скоростью фосфорилирования и дефосфорилирования киназы легких цепей миозина [70, 196, 217, 305, 340].

Дата добавления: 2015-08-18