Введение к работе
Актуальность исследования. Процесс прогрессирующего снижения работоспособности скелетной мышцы в ходе длительной ритмической активности известен как феномен утомления. В настоящее время общепризнано, что утомление имеет периферическую природу: лимитирующим звеном является мышца. Падение силы сокращений при утомлении объясняется функциональными нарушениями в сократительном аппарате мышечных еолокон и/или электро-механическом сопряжении в результате накопления в миоплазме и межклеточных щелях продуктов метаболизма, продуцируемых мышечными волокнами во время ритмических сокращений. Этим определяется возрастающее в последние годы количество исследований механизмов утомления на уровне процессов активации сократительного аппарата и электромеханического сопряжения (Allen et al., 1989; Westerblad et al., 1990, 1991; Renaud, Light, 1991; Edman, Lou, 1992). Однако при работе даже такой относительно простой системы, как изолированный нервно-мышечный препарат, утомление представляет собой сложный физиологический процесс, механизмы которого до конца не ясны и не сводятся только к нарушениям функции мышцы. Как современные, так и более ранние данные показывают, что в развитии утомления играют роль и процессы, связанные с передачей сигнала с нерва на мышцу (Krnjevic, Mi-ledi, 1958, 1959; Stephens, Taylor, 1972; Никольский, Полетаев, 1977; Kernel1, Monster, 1982; Mural і et al., 1984; Sieck, Pra-kash, 1995). Особенно наглядно это демонстрируется на примере одной из форм утомления, наблюдаемого в опытах на изолированных нервно-мышечных препаратах в ходе продолжительной стимуляции нерва с частотой 1-2 с-1. Главной причиной падения силы мышечных сокращении при такой форме утомления является обратимый блок нервно-мышечной передачи, опосредованный накоплением в синапти-ческой щели мышечных факторов, имеющих отрицательное пресинапти-ческое действие, и выражающийся в снижении квантового состава потенциалов концевой пластинки (ПКП) (Никольский, Полетаев, 1977). Подобный блок не является результатом "утомления" пресинаптичес-кой функции как таковой: известно, что в отсутствие мышечных сокращений интактный нервно-мышечный синапс, в частности, у амфибий, функционирует в указанном режиме длительное время без заметного снижения уровня секреции медиатора.
Более того, есть все основания полагать, что процесс утомления сопряжен с функциональной регуляцией, направленной на поддержание работоспособности системы, и что в этой регуляции участвуют различные синаптические и несинаптические механизмы (Кибяков, 1935; Матюшин, 1989; Драбкина, 1994, Кривой и др., 1994; Matyus-hkin et al., 1995).
В этом аспекте проблема механизма утомления смыкается с другой фундаментальной проблемой, разрабатываемой в лаборатории нервно-мышечной физиологии ФНИИ им. А. А. Ухтомского СПбГУ под руководством проф. Д.П.Матюшкина - проблемой антидромной регуляции пресинаптической функции посредством химических факторов постси-наптического (мышечного) происхождения (Матюшкин, 1975; 1977; 1980; 1989). Предполагается, что в числе таких факторов с положительным действием могут быть неидентифицированные гистидин-содержащие соединения, предположительно образующиеся при метаболизме мышечного дипептида карнозина.
Цель и задачи исследования. Целью проведенного диссертационного исследования являлось изучение влияния инкубационной среды (далее - инкубат) скелетных мышц (как источника эндогенных мышечных метаболитов) на процесс утомления нервно-мышечного препарата и на вызванную секрецию ацетилхолина из нервных окончаний скелетной мышцы лягушки. Исходя из этого ставились следующие экспериментальные задачи:
-
Исследовать динамику утомления нервно-мышечного препарата лягушки в опытах с раздражением нерва и с прямой стимуляцией мышцы при длительной (3 часа) ритмической (1 с-1) активации.
-
Осуществить экстракцию мышечных метаболитов в раствор Рингера путем инкубирования покоящихся изолированных скелетных мышц лягушки. Определить количественные характеристики освобождения в инкубационную среду белка и гистидин-содержащих соединений, а также оценить молекулярную массу компонентов инкубата.
-
Исследовать действие инкубата и его фракций на процесс утомления нервно-мышечного препарата лягушки.
-
Исследовать действие инкубата и его фракций на параметры квантовой секреции медиатора нервным окончанием в нервно-мышечном препарате лягушки.
Научная новизна. Показано, что в условиях прямой активации
мышцы развивается более глубокое утомление, чем в условиях ее раздражения через нерв.
Впервые изучено влияние инкубационной среды интактньи мышц (как источника эндогенных мышечных метаболитов) на утомление при продолжительном непрямом и прямом раздражении мышцы с частотой 1 с-1. Показано, что инкубационная, среда мышц содержит компоненты, способные частично снимать утомление нервно-мышечного препарата. Зтот эффект имеет синаптическую природу, так как он отсутствует при утомлении, вызванном прямой стимуляцией мышцы. Установлено, что компоненты, ответственные за эффект снятия утомления, содержатся главным образом в относительно ниакомолекулярнои фракции мышечного инкубата (< 10 кДа). Эффект частичного восстановления работоспособности утомленной мышцы имеет неадренергическую природу, так как он сохраняется при блокаде «-ив -адренорецепторов нервно-мышечного препарата. Обнаружено сильное негативное действие высокомолекулярной фракции инкубата (>10 кДа) на мышцу, утомленную ее прямой стимуляцией. Это указывает на то, что в состав инкубата входят компоненты (вероятно, белки), негативно действующие на чисто мышечные мишени. Таким образом, иккубат содержит набор веществ, влияющих на различные мишени с разнонаправленным физиологическим действием.
Впервые обнаружено асимметричное пресинаптическое действие мышечного инкубата и его фракций в неутомленном препарате: повышение квантового состава ПКП в нервно-мышечных синапсах с исходно низким уровнем вызванной секреции медиатора и снижение квантового состава ПКП в синапсах с относительно высокой исходной эффективностью синаптической передачи. Как повышение, так и снижение квантового состава ПКП факторами мышечного инкубата в этих условиях является результатом соответствующего изменения биномиального параметра п. Стимулирующее действие инкубата на квантовый состав ПКП может определять восстановление передачи в нервно-мышечных синапсах, ослабленных в ходе утомления, и приводить к обнаруженному нами частичному восстановлению работоспособности утомленной мышцы.
Положения, выносимые на защиту:
-
В условиях прямой активации мышцы развивается более глубокое утомление, чем в условиях ее раздражения через нерв.
-
Инкубационная среда скелетных мышц лягушки содержит зндо-
генные химические факторы, способные модулировать активность нервно-мышечного препарата в ходе утомляющей стимуляции. Компоненты инкубата действуют на разные клеточные мишени и опосредуют физиологические эффекты различного знака. Вещества, стимулирующие работу утомляемого нервно-мышечного препарата,.. сосредоточены главным образом в низкомолекулярной (менее 10 кДа) фракции инкубата.
-
Мышечный инкубат содержит вещества. (возможно, это гисти-дин-содержащие соединения), повышающие остаточную работоспособность утомляемой мышцы посредством восстановления передачи в нервно-мышечных синапсах, ослабленных в ходе утомляющей активности. .-...
-
Стимулирующее пресинаптическое действие компонентов инкубата опосредуется повышением биномиального параметра п, что указывает на усиление процесса мобилизации квантов медиатора в моторной нервной терминади.
Научно-практическая ценность:
Впервые исследовано влияние мышечных метаболитов, входящих в состав инкубационной среды скелетных мышц, на состояние нервно-мышечного аппарата в ходе утомляющей активности. Впервые показано, что мышечный инкубат может вызывать эффект частичного снятия утомления путем повышения уровня вызванного освобождения медиатора из моторных нервных окончаний. Полученные новые данные развивают представления о механизмах саморегуляции синаптическои функции при утомлении, что имеет ценность для фундаментальной науки и может иметь прикладное значение.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации доложены на II Всесоюзной конференции по нейронаукам (Киев, 1988); внутривузовской конференции "Доминантные механизмы поведенческих адаптации .(клеточный и системный уровни физиологических адаптации)" (Ленинград, ЛГУ, 1990); V Всесоюзной конференции "Физиология и биохимия медиатор-ных процессов", посвященной 90-летию со дня рождения академика АН Армянской ССР, члена-корреспондента АН СССР Х.С. Коштоянца (Москва, 1990); I съезде физиологического общества РФ (Пушино, 1993); Международном симпозиуме "Биологическая подвижность", посвященном памяти академика Г.М. Франка (Пушино, 1994); на заседании
Санкт-Петербургского общества физиологов биохимиков и фармакологов им. И.М. Сеченова (Санкт-Петербург, 1990, 1994); на конкурсе научных работ молодых ученых СПбГУ (Санкт-Петербург, 1995).
Реализация результатов исследования:
По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем диссертации: Диссертация изложена на страницах и состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, результатов работы, обсуждения результатов, выводов, списка литературы. Перечень датируемой литературы включает ?0*> источника, из них //о иностранных. Работа иллюстрирована 1 ^"рисунками и 10 таблицами.