Скелетные мышцы расположены по всему телу и сокращаются в ответ на раздражитель. Они служат многим целям, включая осуществление двигательной активности, поддержание осанки и положения тела, поддержание температуры тела, хранение питательных веществ и стабилизацию суставов. В отличие от сокращения гладких и сердечных мышц, большая часть сокращения скелетных мышц находится под нашим сознательным контролем. Скелетные мышцы составляют примерно 40% от общей массы тела человека и содержат от 50 до 75% всех белков организма.
Заболевания скелетных мышц обычно проявляются в виде мышечной слабости. Известны многочисленные причины заболеваний скелетных мышц, включая мышечные дистрофии, врожденные миопатии, воспалительные заболевания и заболевания, поражающие нервно-мышечные соединения.
Скелетные мышцы: определение
Скелетные мышцы – это высокоорганизованная ткань, состоящая из пучков мышечных волокон, называемых миофибриллами. Каждое миофибриллярное волокно представляет собой мышечную клетку с ее основной клеточной единицей – саркомером. Пучки миофибрилл образуют пучки, а «пучки пучков» образуют мышечную ткань.
Волокна скелетных мышц представляют собой полосатые многоядерные клетки диаметром от 10 до 100 микрометров различной длины. Ядра расположены на периферии клетки, рядом с сарколеммой. Сарколемма представляет собой трубчатую оболочку, которая окружает и определяет каждое мышечное волокно, образуя барьер между внеклеточными и внутриклеточными отделами. Сарколемма состоит из плазматической мембраны и полисахаридного покрытия, которое срастается с сухожильными волокнами. Инвагинации внутри сарколеммы называются поперечными канальцами (Т-образными канальцами), которые служат основным местом для ионного обмена.
В целом волокна скелетных мышц состоят из эндомизия, перимизия и эпимизия, покрывающих сарколемму, и, таким образом, каждое мышечное волокно представляет собой слой соединительной ткани, называемый эндомизием. В эндомизии присутствуют капилляры и нервные ткани, которые снабжают отдельные мышечные волокна. Множественные мышечные волокна соединяются вместе, образуя пучки, которые окружены другим соединительнотканным покровом, известным как перимизий. Периметрий может окружать от 10 до 100 пучков. Мышечные пучки дополнительно группируются, образуя мышцу, которая окружена оболочкой из волокнистой ткани, известной как эпимизий.
Каждое мышечное волокно состоит из нескольких сотен или нескольких тысяч миофибрилл. Миофибриллы состоят из актина (тонких нитей), миозина (толстых нитей) и поддерживающих белков. Расположение актина и миозина придает скелетным мышцам микроскопический поперечно-полосатый вид и создает функциональные единицы, называемые саркомерами. При просмотре под электронной микроскопией саркомеры расположены в продольном направлении и включают линию M, Z-диск, полосу H, полосу A и полосу I. Линия Z, или диск Z, является конечной границей саркомера, где альфа-актинин действует как якорь для актиновых нитей. Линия М — это самая центральная линия саркомера, где нити миозина соединяются вместе через сайты связывания внутри нити миозина. Полоса H содержит линию M и является центральной областью саркомера, которая содержит только миозиновые нити. Полоса А представляет собой большую часть саркомера, которая содержит все волокна миозина и включает области перекрытия актина и миозина. I-образная полоса покрывает концевые области двух соседних саркомеров и содержит только актиновые нити. И полоса H, и полоса I сокращаются при сокращении мышц, в то время как полоса A остается постоянной длины.
Актиновые нити представляют собой двухспиральные структуры, известные как нитевидно-актиновые (F-актин), состоящие из мономерных звеньев G-актина. G-актин проявляет полярность и создает положительный и отрицательный конец внутри саркомера, причем положительный конец расположен ближе к концевому концу саркомера. Тропомиозин представляет собой спиральный белок, который проходит вдоль двойной спирали актина в его канавке. Тропонин связывает тропомиозин с помощью тропонинового комплекса в каждом из семи мономеров актина и состоит из тропонина-C (Tn-C), тропонина-I (Tn-I) и тропонина-T (Tn-T). Tn-T связывает тропомиозин, Tn-I ингибирует связывание актина и миозина, а Tn-C связывает кальций. Белки миозина состоят из двух областей: легкого меромиозина и тяжелого меромиозина.Легкий меромиозин связывает другие области легкого меромиозина, закрепляя миозин на линии M. Тяжелый меромиозин далее подразделяется на две области; часть S-1, или головка миозина, связывает актин и содержит часть АТФазы, в то время как часть S-2 является местом силового удара.
Вспомогательные белки в саркомере включают титин, десмин, миомезин, белок С, небулин и плектин. Плектин связывает Z-диски соседних миофибрилл друг с другом. Десмин помогает поддерживать выравнивание миофибрилл, соединяется с цитоскелетом и другими структурными элементами клетки и распределяет сократительную силу. Миомезин и белок С являются миозинсвязывающими белками, которые функционируют для связывания и стабилизации миозина на линии M. Титин находится в Z-диске и закрепляет миозин в продольном направлении внутри саркомера.
Типы мышечных волокон можно разделить на три группы. Волокна типа I, или медленно окисляющиеся волокна, представляют собой медленно сокращающиеся волокна. Это самый маленький тип волокон и низкое содержание гликогена. Волокна типа I имеют низкий уровень утомляемости, медленную скорость сокращения и низкую активность атфазы миозина, что делает их наиболее подходящими для выносливых видов сокращения, таких как поддержание осанки и марафонский бег.
Волокна типа IIa, или быстрые окислительные волокна, представляют собой быстро сокращающиеся волокна с высокой активностью атфазы миозина и средней скоростью утомления. Они лучше всего подходят для средней продолжительности и умеренных движений, таких как ходьба и езда на велосипеде.
Волокна обоих типов I и IIb называются красными волокнами, что означает, что в них высокое содержание миоглобина. Они также получают АТФ в основном за счет окислительного фосфорилирования и состоят из множества митохондрий и капилляров.
Волокна типа IIb, или быстрые гликолитические волокна, представляют собой быстро сокращающиеся волокна. Это самые большие волокна в диаметре из-за высокой плотности белков актина и миозина. Волокна типа IIb содержат мало митохондрий и называются белыми волокнами из-за низкого содержания в них миоглобина. Эти волокна получают АТФ в основном за счет анаэробного гликолиза, обладают высокой активностью миозин-атфазы и быстрой утомляемостью. Они лучше всего подходят для кратковременных, интенсивных движений, таких как бег и поднятие тяжестей.
Развитие
Подавляющее большинство мышц происходит из мезодермы, а скелетные мышцы, в частности, происходят из параксиальной мезодермы.
Мезодермальные клетки образуют миогенные клетки, которые подвергаются митозу с образованием постмитотических миобластов. Эти миобласты синтезируют актин и миозин и сливаются, образуя многоядерные миотрубки. Затем миотрубки синтезируют актин, миозин, тропонин, тропомиозин и другие мышечные белки. Все эти белки объединяются, образуя миофибриллы, мышечные волокна.
Параксиальная мезодерма, которая в конечном итоге формирует скелетные мышцы, сначала делится на сегменты, или сомитомеры, краниокаудальным образом. Семь сомитомеров образуют мышцы головы и шеи и способствуют формированию глоточных дуг. Остальные сомитомеры образуют 35 пар сомитов для области туловища. Затем эти сомитомеры подвергаются эпителизации с образованием групп эпителиальных клеток.
Мезодерма берет свое начало в сомите, причем вентральная область каждого сомита образует склеротом или костеобразующие клетки. Латеральная соматическая область разделяет скопления сомитов из пристеночной мезодермы на примаксиальный и абаксиальный домены. Первичный домен состоит из сомитов вокруг нервной трубки. Он получает сигналы для дифференцировки от хорды и нервной трубки и формирует плечевые, задние и межреберные мышцы. Абаксиальный домен получает сигналы для дифференцировки от мезодермы боковой пластинки и формирует мышцы подъязычной кости, брюшной стенки и конечностей.
Скелетные мышцы расположены по всему телу и прикреплены к костям через сухожилия. Он также присутствует в языке, диафрагме, глазнице и верхней части пищевода.
Функция
Основными функциями скелетных мышц являются сокращение для создания движения, поддержания положения тела и положения, поддержания температуры тела, хранения питательных веществ и стабилизации суставов.
С механической точки зрения, основной функцией скелетных мышц является преобразование химической энергии в механическую энергию, тем самым создавая силу и мощность. С метаболической точки зрения, скелетные мышцы способствуют основному энергетическому метаболизму, служа местом хранения необходимых субстратов, таких как углеводы и аминокислоты. Скелетные мышцы также функционируют для выработки тепла тела. Это выделяемое тепло является побочным продуктом мышечной деятельности и в основном тратится впустую. В качестве гомеостатической реакции на сильный холод мышцы сигнализируют о том, что они вызывают сокращения дрожи для выработки тепла.
Механизм
Потенциалы действия инициируют сокращение мышц посредством связи возбуждения и сокращения. Связь возбуждения и сокращения — это механизм, с помощью которого нейронные потенциалы действия преобразуются в циклическое переключение, то есть сокращение. Потенциалы действия двигательного нейрона вызывают высвобождение ACh из окончания нейрона в NMJ или концевой пластине двигателя. ACh вызывает деполяризацию в NMJ и передает потенциал действия мышечному волокну. В этом процессе потенциалы действия проходят вдоль клеточной мембраны и попадают в Т-канальцы, чтобы передать сигнал внутрь мышечного волокна. Деполяризация вызывает конформационную модификацию дигидропиридиновых рецепторов Т-канальцев с притоком кальция (Ca) или без него. Это конформационное изменение открывает рецепторы рианодина на концевых цистернах саркоплазматического ретикулума для высвобождения Ca из места его хранения в саркоплазматическом ретикулуме во внутриклеточную жидкость (ICF), увеличивая концентрацию ICF Ca в 10 раз (от 10 до 10 М).
Повышенная концентрация ICF Ca вызывает конформационное изменение тропонинового комплекса путем связывания тропонина С на актиновой нити. Каждый тропонин С может связывать максимум 4 иона Ca, и связывание является кооперативным (подобно связыванию кислорода гемоглобином), что позволяет небольшому изменению [Ca] насыщать сайты связывания тропонина С. Изменение конформации тропонина С раскрывает сайты связывания миозина с актином, вытягивая тропомиозин с пути, который запускает перекрестный цикл, вызывающий сокращение скелетных мышц. После прекращения возбуждения и последующей деполяризации Т-канальцев Са высвобождается из тропонина С и задерживается саркоплазматическим ретикулумом в терминальных цистернах через Са-АТФазу в мембране саркоплазматического ретикулума, известного как SERCA. Секвестрация Ca позволяет тропомиозину покрывать сайты связывания миозина с актином, вызывая расслабление мышц.
Езда на велосипеде с поперечным мостом — это механизм, с помощью которого сокращаются скелетные мышцы. В начале этого цикла миозин плотно связывается с актином на стадии, называемой жесткостью. При отсутствии основной физиологической энергии, такой как смерть, это полупостоянное состояние называется трупным окоченением. В живой ткани это переходное состояние, поскольку связывание АТФ головкой миозина вызывает конформационное изменение головки миозина, которое вызывает высвобождение поперечной связи актин-миозин. После связывания АТФ и высвобождения поперечной связи АТФ гидролизуется до аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата, “перекручивая” и перемещая головку миозина к положительному концу актина (ближе к концам саркомера). До тех пор, пока существует достаточное количество Са для поддержания непокрытого сайта связывания актина, головка миозина будет образовывать поперечный мостик с актином. Высвобождение АДФ и неорганического фосфата вызывает силовой удар, при котором головка миозина перемещается к концу актина (к центру саркомера), вытесняя актиновую нить и укорачивая саркомер. Для завершения цикла высвобождается АДФ, и саркомер возвращается в состояние окоченения. Этот цикл повторяется до тех пор, пока Ca связывается с тропонином C.
Сила сокращения представляет собой суммирование количества задействованных двигательных единиц и частоты потенциалов действия, которые достигают этих двигательных единиц. Двигательная единица определяется как один двигательный нейрон и все мышечные волокна, которые он иннервирует, при этом несколько двигательных единиц стимулируют одну мышцу. Количество мышечных волокон, составляющих двигательную единицу, зависит от функции мышцы. Мышцы, требующие мелкого моторного контроля, задействуют меньше волокон, тогда как более крупные группы мышц задействуют значительно больше мышечных волокон. Мышцы, которые функционируют в течение длительного периода, такие как мышцы нижней части спины, будут асинхронно набирать волокна, так что усталость отдельных волокон распределяется во времени и пространстве. Напряжение в масштабе всей мышцы возникает в результате суммарного напряжения отдельных мышечных волокон. Рекрутирование мышечных волокон происходит, когда потенциал действия вызывает высвобождение фиксированного количества Ca из саркоплазматического ретикулума, что вызывает однократное мышечное подергивание с последующей секвестрацией кальция. Постоянная стимуляция мышц дополнительными потенциалами действия вызывает повышенное выделение кальция и суммирование сокращений, что позволяет мышце продолжать сокращаться. Максимальное сокращение происходит в процессе, называемом тетанией, когда задействованы все сайты связывания Ca, а все сайты связывания с миозином остаются открытыми.
Расщепление АТФ до АДФ и неорганического фосфата обеспечивает энергию, необходимую как для механизма силового удара, с помощью которого сокращаются скелетные мышцы, так и для обратного захвата Ca концевыми цистернами. Запасы АТФ в мышцах быстро истощаются, поэтому АТФ необходимо восстанавливать. Первым механизмом образования АТФ в мышцах является перенос фосфатной группы из креатинфосфата в АДФ. При истощении запасов креатинфосфата производство АТФ происходит через цикл лимонной кислоты и цепь переноса электронов. Кислород становится ограничивающим фактором при активном сокращении мышц и гликолизе в одиночку, а последующее превращение пирувата в лактат позже становится основным источником образования АТФ для мышц.
Нервно-мышечные веретена присутствуют в скелетных мышцах и участвуют в проприоцепции. Интрафузальные волокна, или нервно-мышечные веретена, чередуются с экстрафузальными волокнами. Интрафузальные волокна состоят из двух отдельных клеток, известных как волокно ядерной сумки и волокно ядерной цепи. Весь блок функционирует частично как мышца, поскольку волокна могут сокращаться, а частично как сенсорный рецептор длины, натяжения и скорости сокращения. Первичные афферентные нервные волокна имеют кольцевоспиральные окончания как вокруг волокон сумки, так и вокруг цепных волокон и определяют длину мышц и скорость сокращения. Вторичные афферентные волокна имеют цветочные окончания, в основном на волокнах ядерной цепи, и функционируют для определения длины мышц.
Патофизиология
Заболевания, поражающие нервно-мышечные соединения
- Миастения — это аутоиммунное заболевание, возникающее в результате антител к рецепторам ACh нервно-мышечного соединения. Эти антитела предотвращают связывание ACh и уменьшают количество деполяризации, передаваемой мышечной клетке. Поскольку при повторном использовании расходуются запасы ACh, более низкие концентрации ACh, высвобождаемые в NMJ, не могут насыщать сайты связывания и создавать потенциал действия в мышце. Это проявляется как переменная слабость у пациента, которая ухудшается при использовании и улучшается при отдыхе. Часто экстраокулярные мышцы являются первыми мышцами, пораженными в ходе заболевания. Эдрофоний, ингибитор ацетилхолинэстеразы короткого действия, может быть использован для диагностики миастении. При введении он продлевает действие ACh на NMJ и на короткое время предотвращает мышечную усталость.
- Миастенический синдром (LEMS) Ламберта-Итона — это заболевание NMJ, которое может проявляться как паранеопластический феномен, причем более половины случаев связано с мелкоклеточным раком легкого (SCLC). Первичным клиническим проявлением является мышечная слабость. Патология обусловлена выработкой антител против Са-каналов, управляемых напряжением, на пресинаптических нервных окончаниях, что приводит к снижению нейромедиатора ACh. В дополнение к мышечной слабости, у пациентов с LEMS могут наблюдаться окулобульбарная слабость, дисфагия и дизартрия, а также вегетативная дисфункция. Дыхательная недостаточность может редко возникать на поздних стадиях LEMS. Облегчение после тренировки или после активации — это явление, наблюдаемое при LEMS, которое связано с уменьшением мышечной слабости после нагрузки. Повторяющиеся сокращения мышц вызывают повышенный приток Ca в пресинаптическую мембрану, облегчая высвобождение ACh путем связывания с несколькими пузырьками. Этот эффект временный, поскольку митохондрии в конечном итоге выводят избыток кальция.
- Токсины также могут влиять на связь возбуждения и сокращения в NMJ. Ботулинический токсин, вырабатываемый C. botulinum, подавляет высвобождение ACh из пресинаптического нейрона в NMJ, предотвращая возбуждение скелетных мышц и вызывая вялый паралич. Тетаноспазмин, нейротоксин, выделяемый C. tetani, предотвращает расслабление путем блокирования высвобождения тормозящих нейротрансмиттеров интернейронами, которые синапсируют в NMJ, что приводит к спастическому параличу.
Мышечные дистрофии
Мышечные дистрофии включают более 30 наследственных состояний, которые вызывают постоянную мышечную слабость. Две наиболее распространенные и хорошо известные формы мышечных дистрофий включают мышечную дистрофию Дюшенна (МДД) и мышечную дистрофию Беккера (МПК).
- Мышечная дистрофия Дюшенна (МДД) — это Х-сцепленное наследственное нервно-мышечное заболевание, вызванное мутациями в гене дистрофина. Он характеризуется прогрессирующим истощением мышц и слабостью из-за отсутствия белка дистрофина, который вызывает дегенерацию скелетных и сердечных мышц. МДД поражает примерно 1 из 3600 новорожденных мужского пола во всем мире, при этом клинических признаков при рождении нет. Средний возраст постановки диагноза и первого появления симптомов составляет около четырех лет. МДД — это быстро прогрессирующее заболевание, при котором пациенты полагаются на инвалидное кресло и развивают тяжелую кардиомиопатию примерно в десятилетнем возрасте. Смерть обычно наступает из-за сердечных и респираторных осложнений.
- Мышечная дистрофия Беккера (МПК) описывается как более легкая форма МДД с частотой 1 на 18 518 рождений мужского пола. МПК обычно развивается позже, чем МДД, в возрасте от 5 до 15 лет, с более медленным клиническим прогрессированием. Как правило, у людей, страдающих МПК, симптомы проявляются после 30 лет и могут оставаться амбулаторными в возрасте 60 лет. Несмотря на более легкое поражение скелетных мышц, сердечная недостаточность из-за дилатационной кардиомиопатии является распространенной причиной заболеваемости и наиболее частой причиной смерти у пациентов с МПК.
Идиопатические воспалительные миопатии (миозит)
- (DM) Дерматомиозит проявляется симметричной слабостью проксимальных мышц, развивающейся в течение недель — месяцев в сочетании с эритематозными изменениями, которые могут предшествовать или следовать за миопатией. Эритематозные изменения включают гелиотропную сыпь, отек век, папулы Готтрона на разгибательных поверхностях и подкожные кальцификации. Обычно миалгия не наблюдается, но у пациентов могут развиться дисфагия, дизартрия и интерстициальное заболевание легких. СД демонстрирует повышенную распространенность у женщин и пожилых людей.
- Полимиозит (ПМ) проявляется подострым началом проксимальной мышечной слабости, наиболее выраженной в тазовом поясе и плечах, и заметным повышением уровня креатинкиназы (КК). Также часто поражаются сгибатели шеи, а в некоторых случаях и разгибатели шеи. Биопсия, показывающая клеточные инфильтраты, состоящие из макрофагов, и цитотоксические CD8+ Т-клетки, отличает ПМ от СД.
- Некротизирующая миопатия (НМ) клинически неотличима от ПМ с прогрессирующей симметричной слабостью проксимальных мышц рук и ног. Миалгии возникают до 80% пациентов, а в тяжелых случаях могут развиться дисфагия и дизартрия. NM показывает распространенность среди мужчин со средним возрастом начала заболевания на 5-м десятилетии. Для диагностики НМ требуется биопсия, показывающая рассеянные некротические мышечные волокна с редкими воспалительными клетками, окружающими некроз, преобладающими макрофагами и несколькими лимфоцитами (CD4+ и CD8+ Т-клетки).
- Миозит тела включения (IBM) является наиболее часто приобретаемой миопатией после 50 лет. ИБС — это медленно развивающееся заболевание, которое обычно влияет на сгибание кисти и пальцев и разгибание колена. Дисфагия является типичной, и по крайней мере незначительные трудности с глотанием наблюдаются у 80% людей. Дисфагия может предшествовать слабости в руках и ногах. В конечном итоге пациенты обычно становятся инвалидами, но ожидаемая продолжительность жизни нормальная.
Рабдомиолиз — это прямое повреждение архитектуры скелетных мышц, приводящее к высвобождению внутриклеточного содержимого, такого как электролиты и миоглобин, во внеклеточное пространство.Оскорбления, приводящие к травме скелетных мышц, многочисленны и выходят за рамки этой статьи, но некоторые примеры включают злоупотребление (например, марафон), синдром отделения и использование отпускаемых по рецепту, безрецептурных и запрещенных наркотиков. Клеточный инсульт непосредственно возникает в результате высвобождения большого количества ионизированного кальция из терминальных цистерн, что активирует процессы деградации. Побочные эффекты рабдомиолиза могут быть системными и опасными для жизни, при этом повреждение скелетных мышц приводит к выделению продуктов распада, которые нарушают функцию почек и, в тяжелых случаях, приводят к острой почечной недостаточности, требующей диализа.
Атрофия скелетных мышц может быть результатом многих причин, включая неиспользование, денервацию, системные заболевания, хроническое употребление глюкокортикоидов и недоедание. Хотя пути могут различаться, во всех этих случаях атрофия вызвана повышенным протеолизом, опосредованным системой убиквитина, и снижением синтеза белка, что уменьшает мышечную массу за счет уменьшения диаметра отдельных мышечных волокон.
Клиническое значение
Скелетные мышцы позволяют людям двигаться и выполнять повседневную деятельность, а также играют важную роль в механизме дыхания и поддержании осанки и равновесия. В результате дисфункции скелетных мышц могут возникать различные заболевания. Эти заболевания включают миопатии, дисфагию, атаксию, слабость, тремор, разрывы сухожилий и многое другое. Клинически у пациентов может быть все, от мышечных судорог до генетических аномалий, влияющих на их скелетные мышцы. Сначала понимая физиологию, можно в значительной степени оценить патологию, лежащую в основе заболеваний скелетных мышц. Следует отметить, что важно рекомендовать пациентам упражнения для развития мышечной силы. Наращивание и поддержание мышечной силы имеет важное значение для здоровья костей, равновесия, гибкости, осанки и общего состояния здоровья.
