Элементарный акт мышечного сокращения

Молекулы миозина и актина, взаимодействуя друг с другом, образуют актомиозиновый комплекс, в котором и разыгрываются основные события, приводящие к созданию силы, вызывающей сокращение мышцы. В покоящейся мышце миозиновые мостики не проявляют ATP-азной активности, поскольку тропомиозин и белки тропонинового комплекса препятствуют взаимодействию головок миозина с нитью актина. Активация актомиозинового комплекса инициируется ионами Ca²⁺. Концентрация ионов Ca²⁺ в цитоплазме клеток покоящейся (расслабленной) мышцы понижена (< 0,1 мкМ). Это обусловлено работой кальциевого насоса саркоплазматического ретикулума, который использует энергию молекул АТР для перекачивания ионов Ca²⁺ из цитоплазмы в специальные цистерны. Под действием нервного импульса ионы Ca²⁺ выходят из кальциевых цистерн и связываются с TnC, регуляторным белком тропонинового комплекса. В результате этого запускается цепь конформационных превращений остальных белков тропонинового комплекса, что в конечном итоге вызывает изменение положения тропомиозина относительно нити F-актина. Таким образом, благодаря последовательным структурным перестройкам белков тонкой нити (тропонин-тропомиозин-актин), инициированным повышением концентрации ионов Ca²⁺, головка миозина приобретает возможность связываться с актином.

Тянущая сила, которая вызывает движение молекул миозина вдоль нитей актина, возникает за счет структурных изменений, происходящих в каталитическом центре миозина после гидролиза молекулы AТP. Работа миозина напоминает функционирование механического устройства, в котором головка и шейка миозинового мостика играют роль своеобразного рычага, позволяющего существенно увеличить амплитуду смещения миозинового хвоста. Этот рычаг одним из своих концов опирается на актиновую нить, другой конец рычага соединен с хвостом молекулы миозина (рис. 3). После гидролиза АТР и диссоциации Pi и ADP из каталитического центра в головке миозина происходят структурные перестройки, в результате которых зацепленная за нить актина головка миозина поворачивается, увлекая за собой хвост миозина (см. рис. 3). Так возникает сила, вызывающая скольжение толстых нитей миозина вдоль нитей актина.

Структурные перестройки, которые происходят в каталитическом центре фрагмента S1, характеризуются сравнительно небольшими смещениями атомов в активном центре. Однако эти изменения вызывают значительное перемещение хвоста миозина (3-5 нм для миозина скелетных мышц). Это происходит в результате того, что рычаг, передающий смещение от каталитического центра к хвосту миозина, имеет неравные плечи - точка опоры рычага находится существенно ближе к активному центру моторного фрагмента S1, чем конец шейки миозинового мостика, соединяющийся с хвостом миозиновой нити (см. рис. 3). Интересно, что у молекул миозина, принадлежащих различным классам, амплитуда смещения хвоста за один рабочий шаг может заметно отличаться. Это определяется тем, что длина рычага у разных форм миозина неодинакова (рис. 2,в). Так, например, у молекул миозина V, выполняющего функции транспортного белка, шейка в несколько раз длиннее, чем у миозина скелетных мышц (миозина II). Поворот головки миозина V приводит к смещению хвоста на расстояние 20 нм, что приблизительно в пять раз больше рабочего шага миозина скелетных мышц.