Электро-механическое сопряжение в скелетных мышцах

Электро-механическое сопряжение — это последовательность событий, которая связывает электрический потенциал действия на мембране мышцы с механическим событием сокращения. В скелетных мышцах сигнал распространяется по поверхностной мембране и в поперечные трубочки, запускает высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума, и этот кальций активирует сократительный аппарат.

Definition

Электро-механическое сопряжение — это физиологический процесс, посредством которого потенциал действия в мембране скелетной мышцы преобразуется, через вольтаж-чувствительное восприятие в поперечных трубочках и высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума, в активацию сократительного аппарата.

Scope

Эта тема охватывает, как потенциал действия скелетной мышцы воспринимается на уровне триады, как кальций высвобождается из саркоплазматического ретикулума и возвращается в него, а также как кальций регулирует тонкий филамент для инициации и прекращения сокращения. Это справочное и образовательное описание процесса сопряжения в скелетных мышцах, а не клиническое руководство.

Core questions

• Как поверхностный потенциал действия достигает внутренней части волокна?
• Как деполяризация мембраны преобразуется в высвобождение кальция в скелетных мышцах?
• Как кальций включает и выключает сократительный аппарат?
• Как удаляется кальций для обеспечения расслабления?

Key concepts

• Поперечная (Т) трубочка
• Саркоплазматический ретикулум
• Триадное соединение
• Дигидропиридиновый рецептор (вольтаж-сенсор)
• Рианодиновый рецептор (кальций-высвобождающий канал)
• Регуляция тропонин-тропомиозином
• Обратный захват кальция SERCA и расслабление

Key theories

Кальциевая регуляция тонкого филамента

Кальций, высвобождаемый в цитоплазму, связывается с тропонином С, сдвигая тропомиозин с миозин-связывающих участков на актине и тем самым позволяя циклу поперечных мостиков; снижение уровня кальция обращает переключение и вызывает расслабление.

Сопряжение вольтаж-сенсора / высвобождения кальция на уровне триады

Деполяризация поперечной трубочки воспринимается дигидропиридиновым рецептором, который в скелетных мышцах механически связан с рианодиновым рецептором на саркоплазматическом ретикулуме, запуская высвобождение кальция в области триадного соединения.

Mechanisms

Когда потенциал действия достигает волокна скелетной мышцы, он распространяется по поверхностной мембране и внутрь по поперечным трубочкам, которые проходят близко к терминальным цистернам саркоплазматического ретикулума в структурах, называемых триадами. Деполяризация обнаруживается вольтаж-чувствительными дигидропиридиновыми рецепторами в мембране Т-трубочек, которые в скелетных мышцах механически связаны с рианодиновыми рецепторами на саркоплазматическом ретикулуме; это открывает рианодиновые рецепторы и высвобождает запасенный кальций в цитоплазму. Кальций связывается с тропонином С, сдвигая тропомиозин с миозин-связывающих участков актина и позволяя циклу поперечных мостиков и сокращению. Расслабление наступает, когда кальций закачивается обратно в саркоплазматический ретикулум с помощью SERCA кальциевой АТФазы, снижая цитоплазматический кальций, так что тропомиозин снова блокирует образование поперечных мостиков.

Clinical relevance

Поскольку сопряжение зависит от специфических мембранных каналов и белков, участвующих в обработке кальция, его понимание обеспечивает основу для изучения нарушений высвобождения кальция и состояний, затрагивающих триаду, а также для интерпретации того, как утомление изменяет обработку кальция. Это представлено как справочная физиология, а не как диагностические критерии или рекомендации по лечению.

Evidence & guidelines

Описание основано на структурных и физиологических исследованиях триады и обработки кальция, а также на авторитетных обзорах, таких как Franzini-Armstrong и Jorgensen (1994) и Gordon и соавторы (2000). Это механистическая фундаментальная наука, а не клинические данные, регулируемые рекомендациями; некоторые основополагающие источники цитируются по ссылке, если проверенный DOI был недоступен.

History

Роль кальция как триггера, активирующего сократительные белки, была установлена работами Эбаши и Эндо в 1960-х годах по тропонин-тропомиозиновой системе. Структурная основа сопряжения на уровне триады и партнерство между вольтаж-сенсором Т-трубочек (дигидропиридиновым рецептором) и кальций-высвобождающим каналом саркоплазматического ретикулума (рианодиновым рецептором) были уточнены благодаря структурным исследованиям Францини-Армстронг и физиологическим исследованиям Риоса и других, что дало современное представление об электро-механическом сопряжении в скелетных мышцах.

Debates

Как вольтаж-сенсор связан с высвобождением кальция?

Вопрос о том, обусловлено ли высвобождение в скелетных мышцах в первую очередь прямым механическим сопряжением между дигидропиридиновыми и рианодиновыми рецепторами, или кальций-индуцированным высвобождением кальция, как в сердечной мышце, был центральным и в значительной степени решен в пользу механического сопряжения для скелетных волокон.

Key figures

• Clara Franzini-Armstrong
• Setsuro Ebashi
• Makoto Endo
• Eduardo Rios
• Andrew Gordon

Seminal works

• ebashi-endo-1968
• franzini-armstrong-1994
• gordon-2000

Frequently asked questions

Что делает электро-механическое сопряжение?

Оно связывает электрический потенциал действия мышечной мембраны с механическим сокращением, запуская высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума, который активирует сократительные белки.

Почему кальций играет центральную роль в сокращении мышц?

Кальций связывается с тропонином и сдвигает тропомиозин с актиновых связывающих участков, позволяя миозиновым поперечным мостикам циклировать. Удаление кальция обратно в саркоплазматический ретикулум останавливает цикл и позволяет мышце расслабиться.