Мышечные ткани
План
1. Общую морфофункциональную характеристику мышечных тканей, источник их развития.
2. Морфологическую и генетическую классификацию мышечных тканей.
3. Строение, локализацию и особенности сокращения гладкой (неисчерченной) мышечной ткани.
4. Локализацию, гистогенез, функциональные особенности скелетной мышечной ткани.
5. Гистологическое и субмикроскопическое строение волокна скелетной мышечной ткани.
6. Саркомер.
7. Особенности строения и функции сердечной мышечной ткани.
8. Мышца, как орган.
9. Мион.
10. Вековые изменения и регенерация мышечных тканей.
Мышечная ткань осуществляет двигательные функции организма. У части гистологических элементов мышечной ткани в световой микроскоп видны сократительные единицы — саркомеры. Это обстоятельство позволяет различать два типа мышечных тканей. Один из них — поперечнополоcатая (скелетная и сердечная) и второй — гладкая. Во всех сократительных элементах мышечных тканей [поперечнополосатое скелетное мышечное волокно, кардиомиоциты, гладкомышечные клетки (ГМК)], а также в немышечных контрактильных клетках (миоэпителиальные клетки, миофибробласты и др.). Например, скелетная и сердечная мышцы должны генерировать быстрые сокращения, при этом скелетная мышца может длительно поддерживать силу сокращения, тогда как деятельность сердечной мышцы характеризуется непрерывным чередованием периодов сокращения и расслабления с каждым ударом сердца на протяжении всей жизни. Гладкая мышца, как и скелетная должна иметь широкий спектр скорости, силы и продолжительности сокращения. Сократительную функцию скелетной мышечной ткани (произвольная мускулатура) контролирует нервная система (соматическая двигательная иннервация). Непроизвольные мышцы (сердечная и гладкая) имеют вегетативную двигательную иннервацию, а также развитую систему гуморального контроля их сократительной активности. Для ГМК характерна выраженная физиологическая и репаративная регенерация. В составе же скелетных мышечных волокон присутствуют стволовые клетки (клетки-сателлиты), поэтому скелетная мышечная ткань потенциально способна к регенерации. Кардиомиоциты находятся в фазе G0 клеточного цикла, а стволовые клетки в сердечной мышечной ткани отсутствуют. По этой причине погибшие кардиомиоциты замещаются соединительной тканью.
Скелетная мышечная ткань
У человека более 600 скелетных мышц (около 40% массы тела). Скелетная мышечная ткань обеспечивает осознанные и осознаваемые произвольные движения тела и его частей. Основные гистологические элементы: скелетные мышечные волокна (функция сокращения), клетки-сателлиты (камбиальный резерв).
Скелетное мышечное волокно
Структурно-функциональная единица скелетной мышцы — симпласт — скелетное мышечное волокно, имеет форму протяжённого цилиндра с заострёнными концами. Этот цилиндр достигает в длину
Значительный объём мышечного волокна занимают миофибриллы. Расположение светлых и тёмных дисков в параллельных друг другу миофибриллах совпадает, что приводит к появлению поперечной исчерченности. Структурная единица миофибрилл — саркомер, сформированный из толстых (миозиновых) и тонких (актиновых) нитей. Расположение тонких и толстых нитей в саркомере показано слева и слева внизу. G–актин — глобулярный, F–актин — фибриллярный актин.
Миофибриллы
Поперечная исчерченность скелетного мышечного волокна определяется регулярным чередованием в миофибриллах различно преломляющих поляризованный свет участков (дисков) — изотропных и анизотропных: светлые (Isotropic, I-диски) и тёмные (Anisotropic, А-диски) диски. Разное светопреломление дисков определяется упорядоченным расположением по длине саркомера тонких и толстых нитей; толстые нити находятся только в тёмных дисках, светлые диски не содержат толстых нитей. Каждый светлый диск пересекает Z-линия. Участок миофибриллы между соседними Z-линиями определяют как саркомер.
Саркомер. Структурно-функциональная единица миофибриллы, находящаяся между соседними Z-линиями. Саркомер образуют расположенные параллельно друг другу тонкие (актиновые) и толстые (миозиновые) нити. I-диск содержит только тонкие нити. В середине I-диска проходит Z-линия. Один конец тонкой нити прикреплён к Z-линии, а другой конец направлен к середине сaркомера. Толстые нити занимают центральную часть сaркомера — А-диск. Тонкие нити частично входят между толстыми. Содержащий только толстые нити участок сaркомера — Н-зона. В середине Н-зоны проходит М-линия. I-диск входит в состав двух сaркомеров. Следовательно, каждый сaркомер содержит один А-диск (тёмный) и две половины I-диска (светлого), формула саркомера — ½ I + А + ½ I.
Саркоплазматическая сеть
Каждая миофибрилла окружена регулярно повторяющимися элементами сaркоплазматического ретикулума — анастомозирующими мембранными трубочками, заканчивающимися терминальными цистернами. На границе между тёмным и светлым дисками две смежные терминальные цистерны контактируют с Т-трубочками, образуя так называемые триады. Саркоплазматический ретикулум — модифицированная гладкая эндоплазматическая сеть, выполняющая функцию депо кальция. Ca2+-связывающий белок кальсеквестрин находится внутри саркоплазматической сети.
Сопряжение возбуждения и сокращения
Сарколемма мышечного волокна образует множество узких впячиваний — поперечных трубочек (Т-трубочки). Они проникают внутрь мышечного волокна и, залегая между двумя терминальными цистернами сaркоплазматического ретикулума, вместе с последними формируют триады. В триадах происходит передача возбуждения в виде потенциала действия плазматической мембраны мышечного волокна на мембрану терминальных цистерн — сопряжение возбуждения и сокращения. В мембрану Т-трубочек вмонтированы потенциалозависимые Са2+-каналы L-типа (дигидропиридиновые рецепторы), образующие тетрады. При этом каждая тетрада располагается напротив одного рецептора рианодина (Ca2+ -канала) в мембране терминальных цистерн саркоплазматического ретикулума. Деполяризация мембраны Т-трубочек вызывает в структуре рецепторов дигидропиридина, входящих в состав тетрады, конформационные изменения, которые соответственно передаются на четыре СЕ рецептора рианодина саркоплазматического ретикулума. Активированные таким образом рцепторы рианодина (Ca2+ -каналы в мембране терминальных цистерн) обеспечивают выход Са2+ из полостей саркоплазматического ретикулума в саркоплазму.
Нейромоторная (двигательная) единица.
Одна нейромоторная единица включает один мотонейрон и группу иннервируемых им экстрафузальных мышечных волокон. Количество и размеры двигательных единиц в различных мышцах значительно варьируют. Аксон одного из мотонейронов может иннервировать от одного до нескольких сотен мышечных волокон. Поскольку при сокращении фазные мышечные волокна подчиняются закону всё или ничего, то сила, развиваемая мышцей, зависит от количества активируемых (т.е. участвующих в сокращении мышечных волокон) двигательных единиц. Существует три типа нейромоторных единиц: медленная (S), быстрая неутомляемая (FR) и быстрая утомляемая (FF). Каждая нейромоторная единица образована только медленносокращающимися, быстросокращающимися неутомляемыми или быстросокращающимися утомляемыми мышечными волокнами. Тип нейромоторной единицы зависит от частоты импульсации, генерируемой мотонейроном. Различают медленные (S) и быстрые мотонейроны (F) с частотой импульсации 15-25 Гц и 40-60 Гц, соответственно. S-мотонейроны иннервируют медленносокращающиеся мышечные волокна, а F-мотонейроны — быстросокращающиеся. Мышечные волокна, принадлежащие разным нейромоторным единицам, имеют мозаичное распределение в скелетной мышце.
Сокращение и расслабление
Сокращение мышечного волокна происходит при поступлении по аксонам двигательных нейронов к нервно-мышечным синапсам волны возбуждения в виде нервных импульсов (потенциалы действия нервных волокон). Это непрямое сокращение, оно опосредовано нервно-мышечной синаптической передачей возбуждения. Возможно и прямое сокращение мышцы. Под ним понимают сокращение групп мышечных волокон, происходящее при возбуждении любого звена последовательности событий после секреции нейромедиатора из терминалей аксона в нервно-мышечном синапсе. Прямое сокращение мышцы (например, мышечные подёргивания, или фибрилляции) — всегда патология.
Деполяризация постсинаптической мембраны
Возбуждение мотонейрона приводит к секреции ацетилхолина из терминалей аксона в синаптическую щель. Ацетилхолин связывается с его рецепторами (н-холинорецепторами), вмонтированными в постсинаптическую мембрану мышечного волокна (плазмолемма). Результат взаимодействия — деполяризация мембраны мышечного волокна, т.к. при взаимодействии нейромедиатора с холинорецептором открывается ионный канал в составе рецептора. Взаимодействие рецептора и ацетилхолина кратковременно, т.к. присутствующая в синапсе ацетилхолинэстераза гидролизует нейромедиатор. Нарушения в любом звене нервно-мышечной передачи приводят к искажениям мышечного сокращения.
Укорочение саркомера и сокращение мышечного волокна. Головка миозина совершает около пяти циклов в секунду. Когда одни головки миозина толстой нити производят тянущее усилие, другие в это время свободны и готовы вступить в очередной цикл. Следующие друг за другом гребковые движения стягивают тонкие нити к центру сaркомера. Скользящие тонкие нити тянут за собой Z-линии, вызывая укорочение сaркомера. Поскольку в процесс сокращения практически одномоментно вовлечены все саркомеры мышечного волокна, происходит его укорочение.
Расслабление
Ca2+-АТФаза (SERCA) сaркоплазматического ретикулума закачивает Ca2+ из сaркоплазмы в цистерны ретикулума, где Ca2+ связывается с кальсеквестрином. При низкой сaркоплазматической концентрации Ca2+ тропомиозин закрывает миозинсвязывающие участки и препятствует их взаимодействию с миозином.
Типы мышечных волокон
Скелетные мышцы и образующие их мышечные волокна различаются по множеству параметров — скорости сокращения, утомляемости, диаметру, цвету и т.д. Например, цвет мышцы может быть обусловлен рядом причин: количеством митохондрий, содержанием миоглобина, плотностью кровеносных капилляров. Традиционно выделяют красные и белые, а также медленные и быстрые мышцы и волокна. Каждая мышца содержит разные типы мышечных волокон. Тип мышцы определяют, исходя из преобладания в ней конкретного типа мышечных волокон. На практике важны следующие классифицирущие критерии типов мышечных волокон: характер сокращения, скорость сокращения, тип окислительного обмена. Типирование мышечных волокон проводится при гистохимическом выявлении активности АТФазы миозина и сукцинатдегидрогеназы (СДГ).
Сводная классификация мышечных волокон
Реально мышечные волокна содержат комбинации различных характеристик. Различают три типа мышечных волокон — быстросокращающиеся красные, быстросокращающиеся белые и медленносокращающиеся промежуточные. В зависимости от преобладания в мышцах конкретного типа мышечных волокон скелетные мышцы относят к “красным” и “белым” либо “быстрым” и “медленным”. Таким образом, каждая мышца уникальна по спектру входящих в её состав типов мышечных волокон. Этот спектр генетически детерминирован (отсюда практика типирования мышечных волокон при отборе спортсменов-бегунов — спринтеров и стайеров). У бегунов-стайеров преобладают медленные волокна, у бегунов-спринтеров, штангистов — быстрые.
Реиннервация
В случае реиннервации аксон растёт к собственному синапсу (>95%). Новые терминали занимают старые постсинаптические складки, восстанавливая геометрию синапса. Прекращается синтез эмбриональной формы холинорецепторов в экстрасинаптических участках, дефинитивные холинорецепторы (a2bgd), аккумулируются в постсинаптической мембране. В норме мышечные волокна одной нейромоторной единицы перемешаны с мышечными волокнами других. В результате спраутинга аксона мотонейрон реиннервирует смежные волокна, что приводит к образованию больших групп мышечных волокон, состоящих из одного типа. Реиннервация характеризуется формированием больших по размеру нейромоторных единиц. При этом количество нейромоторных единиц в реиннервированной мышце уменьшается. У больных с выраженной перегруппировкой мышечных волокон отмечаются судороги, прогрессирующая мышечная слабость.
Физиологическая регенерация
В скелетной мышце постоянно происходит физиологическая регенерация — обновление мышечных волокон. При обновлении мышечных волокон клетки-сaтеллиты вступают в циклы пролиферации с последующей дифференцировкой в миобласты и их включением в состав предсуществующих мышечных волокон.
Репаративная регенерация
При гибели симпласта, например после денервации, некротизированный материал подвергается фагоцитозу макрофагами. Под сохранившейся базальной мембраной активированные клетки-сателлиты дифференцируются в миобласты. Далее постмитотические миобласты выстраиваются в цепи и сливаются, образуя мышечные трубочки с характерным для них центральным расположением ядер. Синтез сократительных белков начинается в миобластах, а в мышечных трубочках происходят сборка миофибрилл и образование сaркомеров. Миграция ядер на периферию, формирование нервно-мышечного синапса завершают образование зрелых мышечных волокон. Таким образом, в ходе репаративной регенерации происходит повторение событий эмбрионального миогенеза.
Сердечная мышечная ткань
Поперечнополосатая мышечная ткань сердечного типа образует мышечную оболочку стенки сердца (миокард). Основной гистологический элемент — кардиомиоцит. Кардиомиоциты присутствуют также в проксимальной части аорты и верхней полой вены.
Кардиомиоциты
Клетки расположены между элементами рыхлой волокнистой соединительной ткани, содержащей многочисленные кровеносные капилляры бассейна венечных сосудов и терминальные ветвления двигательных аксонов нервных клеток вегетативного отдела нервной системы. Каждый миоцит имеет сарколемму (базальная мембрана + плазмолемма). Различают рабочие, атипичные и секреторные кардиомиоциты.
Рабочие кардиомиоциты
Кардиомиоциты — морфо-функциональные единицы сердечной мышечной ткани, имеют цилиндрическую ветвящуюся форму диаметром около 15 мкм. При помощи межклеточных контактов (вставочные диски) рабочие кардиомиоциты объединены в так называемые сердечные мышечные волокна — функциональный синцитий — совокупность кардиомиоцитов в пределах каждой камеры сердца. Клетки содержат центрально расположенные, вытянутые вдоль оси одно или два ядра, миофибриллы и ассоциированные с ними цистерны саркоплазматического ретикулума (депо Ca2+). Многочисленные митохондрии залегают параллельными рядами между миофибриллами. Их более плотные скопления наблюдают на уровне I-дисков и ядер. Гранулы гликогена сконцентрированы на обоих полюсах ядра. Митохондрии и запасы гликогена поддерживают окислительный метаболизм. Т-трубочки в кардиомиоцитах — в отличие от скелетных мышечных волокон — проходят на уровне Z-линий. В связи с этим Т-трубочка контактирует только с одной терминальной цистерной. В результате вместо триад скелетного мышечного волокна формируются диады.
Сократительный аппарат. Организация миофибрилл и саркомеров в кардиомиоцитах такая же, что и в скелетном мышечном волокне. Одинаков и механизм взаимодействия тонких и толстых нитей при сокращении.
Синхронизация сокращения кардиомиоцитов. Распространение волны деполяризации по сердечным мышечным волокнам обеспечивают электрические синапсы между смежными кардиомиоцитами. Внутриклеточный и внеклеточный потоки ионов, обеспечивающие генерацию потенциала действия и синхронизацию сокращения сердечной мышцы, лежат в основе электромиографического исследования миокарда.
Предсердные и желудочковые кардиомиоциты. Предсердные и желудочковые кардиомиоциты относятся к разным популяциям рабочих кардиомиоцитов. Предсердные кардиомиоциты относительно мелкие, 10 мкм в диаметре и длиной 20 мкм. В них слабее развита система Т-трубочек, но в зоне вставочных дисков значительно больше щелевых контактов. Желудочковые кардиомиоциты крупнее (25 мкм в диаметре и до 140 мкм в длину), они имеют хорошо развитую систему Т-трубочек. В состав сократительного аппарата миоцитов предсердий и желудочков входят разные изоформы миозина, актина и других контрактильных белков.
Секреторные кардиомиоциты. В части кардиомиоцитов предсердий (особенно правого) у полюсов ядер располагаются хорошо выраженный комплекс Гольджи и секреторные гранулы, содержащие атриопептин — гормон, регулирующий АД. При повышении АД стенка предсердия сильно растягивается, что стимулирует предсердные кардиомиоциты к синтезу и секреции атриопептина, вызывающего снижение АД.
Атипичные кардиомиоциты
Этот устаревший термин относится к миоцитам, формирующим проводящую систему сердца. Среди них различают водители ритма и проводящие миоциты.
Водители ритма (пейсмейкерные клетки, пейсмейкеры) — совокупность специализированных кардиомиоцитов в виде тонких волокон, окружённых рыхлой соединительной тканью. По сравнению с рабочими кардиомиоцитами они имеют меньшие размеры. В саркоплазме содержится сравнительно мало гликогена и небольшое количество миофибрилл, лежащих в основном по периферии клеток. Эти клетки имеют богатую васкуляризацию и двигательную вегетативную иннервацию. Так, в синусно-предсердном узле доля соединительнотканных элементов (включая кровеносные капилляры) в 1,5–3 раза, а нервных элементов (нейроны и двигательные нервные окончания) в 2,5–5 раз выше, чем в рабочем миокарде правого предсердия. Главное свойство водителей ритма — спонтанная деполяризация плазматической мембраны. При достижении критического значения возникает потенциал действия, распространяющийся через электрические синапсы по волокнам проводящей системы сердца и достигающий рабочих кардиомиоцитов.
Двигательная вегетативная иннервация
Эффекты парасимпатической и симпатической иннервации реализуют соответственно мускариновые холинергические и адренергические рецепторы плазмолеммы разных клеток сердца (кардиомиоциты рабочие и особенно атипические, внутрисердечные нейроны собственного нервного аппарата). Существует множество фармакологических препаратов, имеющих непосредственный эффект на названные рецепторы. Так, норадреналин, адреналин и другие адренергические препараты в зависимости от эффекта на b1-адренорецепторы подразделяют на активирующие (адреномиметики) и блокирующие (адреноблокаторы) агенты. м-Холинорецепторы также имеют аналогичные классы препаратов (холиномиметики и холиноблокаторы).
Парасимпатическая иннервация сердца. Преганглионарные волокна, идущие в составе блуждающего нерва, заканчиваются на нейронах сердечного сплетения и в стенке предсердий. Постганглионарные волокна преимущественно иннервируют синусно-предсердный узел, предсердно-желудочковый узел и предсердные кардиомиоциты. Парасимпатическое влияние вызывает уменьшение частоты генерации импульсов пейсмейкерами (отрицательный хронотропный эффект), снижение скорости проведения импульса через предсердно-желудочковый узел (отрицательный дромотропный эффект) в волокнах Пуркинье, уменьшение силы сокращения рабочих предсердных кардиомиоцитов (отрицательный инотропный эффект).
Регенерация
При ишемической болезни сердца, кардиомиопатиях, миокардитах наблюдаются патологические изменения кардиомиоцитов, включая их гибель, приводящие к сердечной недостаточности (нарушению насосной функции сердца). Репаративная регенерация кардиомиоцитов затруднена, т.к. они находятся в фазе G0 клеточного цикла, а аналогичные скелетно-мышечным клеткам-сателлитам G1-миобласты в миокарде отсутствуют. Однако, кардиомиоциты сохраняют способностть синтезировать ДНК, что не исключает возвращение кардиомиоцитов в клеточный цикл.
Инфаркт миокарда — ишемическийнекроз участка сердечной мышцы, обычно обусловлен окклюзией коронарной артерии. Замещение погибших кардиомиоцитов соединительной тканью приводит к снижению сократительной способности миокарда и развитию сердечной недостаточности.
Гладкая мышечная ткань
Основной гистологический элемент гладкомышечной ткани — гладкомышечная клетка (ГМК), способная к гипертрофии и регенерации, а также к синтезу и секреции молекул межклеточного матрикса. ГМК в составе гладких мышц формируют мышечную стенку полых и трубчатых органов, контролируя их моторику и величину просвета. Регуляцию сократительной активности ГМК осуществляют двигательная вегетативная иннервация и множество гуморальных факторов. В ГМК отсутствует поперечная исчерченность, т.к. миофиламенты — тонкие (актиновые) и толстые (миозиновые) нити — не образуют миофибрилл.
Гладкомышечная клетка
Морфофункциональная единица гладкой мышечной ткани — ГМК. Заострёнными концами ГМК вклиниваются между соседними клетками и образуют мышечные пучки, в свою очередь формирующие слои гладкой мускулатуры. В волокнистой соединительной ткани между миоцитами и мышечными пучками проходят нервы, кровеносные и лимфатические сосуды. Встречаются и единичные ГМК, например, в подэндотелиальном слое сосудов. Форма ГМК — вытянутая веретеновидная, часто отростчатая. Длина ГМК от 20 мкм до 1 мм (например, ГМК матки при беременности). Овальное ядро локализовано центрально. В саркоплазме у полюсов ядра расположены хорошо выраженный комплекс Гольджи, многочисленные митохондрии, свободные рибосомы, cаркоплазматический ретикулум. Миофиламенты ориентированы вдоль продольной оси клетки. Базальная мембрана, окружающая ГМК, содержит протеогликаны, коллаген типов III и V. Компоненты базальной мембраны и эластин межклеточного вещества гладких мышц синтезируются как самими ГМК, так и фибробластами соединительной ткани.
Сократительный аппарат
В ГМК актиновые и миозиновые нити не формируют миофибрилл, характерных для поперечнополосатой мышечной ткани. Молекулы гладкомышечного актина образуют стабильные актиновые нити, прикреплённые к плотным тельцам и ориентированные преимущественно вдоль продольной оси ГМК. Миозиновые нити формируются между стабильными актиновыми миофиламентами при сокращении ГМК. Сборку толстых (миозиновых) нитей и взаимодействие актиновых и миозиновых нитей активируют ионы кальция, поступающие из депо Ca2+. Непременные компоненты сократительного аппарата — кальмодулин (Ca2+-связывающий белок), киназа и фосфатаза лёгкой цепи гладкомышечного миозина.
Типы миоцитов
В основе классификации ГМК находятся различия в их происхождении, локализации, иннервации, функциональных и биохимических свойствах. По характеру иннервации гладкие мышцы делятся на единично и множественно иннервированные. По функциональным свойствам различают тонические и фазные ГМК.
Висцеральные ГМК
Происходят из мезенхимных клеток спланхнической мезодермы и присутствуют в стенке полых органов пищеварительной, дыхательной, выделительной и половой систем. Многочисленные щелевые контакты компенсируют сравнительно бедную иннервацию висцеральных ГМК, обеспечивая вовлечение всех ГМК в процесс сокращения. Сокращение ГМК медленное, волнообразное. Промежуточные филаменты образованы десмином.
Немышечные сокращающиеся клетки
Миоэпителиальные клетки
Миоэпителиальные клетки имеют эктодермальный генез и экспрессируют белки, характерные и для эктодермального эпителия (цитокератины 5, 14, 17), и для ГМК (гладкомышечные актин, a–актинин). Миоэпителиальные клетки окружают секреторные отделы и выводные протоки слюнных, слёзных, потовых, молочных желёз, прикрепляясь при помощи полудесмосом к базальной мембране. От тела клетки отходят отростки, охватывающие эпителиальные клетки желёз. Стабильные актиновые миофиламенты, прикреплённые к плотным тельцам, и нестабильные миозиновые, формирующиеся в процессе сокращения, — сократительный аппарат миоэпителиальных клеток. Сходное строение актомиозинового хемомеханического преобразователя в миоэпителиальных клетках и в ГМК указывает на идентичный механизм сокращения этих клеток. Сокращаясь, миоэпителиальные клетки способствуют продвижению секрета из концевых отделов по выводным протокам желёз. Ацетилхолин стимулирует сокращение миоэпителиальных клеток слёзных и потовых желёз, норадреналин — слюнных желёз, окситоцин — лактирующих молочных желёз.
Миофибробласты
Миофибробласты проявляют свойства фибробластов и ГМК. При заживлении раны часть фибробластов начинает синтезировать гладкомышечные актины и миозины. Дифференцирующиеся миофибробласты способствуют сближению раневых поверхностей. Миофибробласты также встречаются при фиброматозах, фиброзах лёгких, печени, почек.
