ТОЛСТОГО ФИЛАМЕНТА: МИОЗИН

Толстым филаментом является миозин (см. рис. 3.2). Его диаметр примерно 10-15 нм, а длина — около 1,5 мкм. Таким образом, он бо­лее плотный (толстый) и более короткий, чем актиновый филамент. Уникальность миозиновых филаментов заключается в том, что они имеют множество латеральных отростков, которые простираются по направлению к актиновым филаментам. Эти отростки называются по­перечными мостиками. Они являются участками связывания актино-вых и миозиновых филаментов, в результате чего образуется мышеч­ное напряжение.

Миозиновая головка. Исследования показывают, что НММ может также расщепляться на два субфрагмента: S-1 и S-2. Субфрагмент S-2 является сегментом миозинового стержня, расположенного между го­ловкой и дистальным сегментом стержня. С другой стороны, субфраг­мент S-1 является сегментом молекулы миозина, составляющей головку. Он состоит из легких и тяжелых цепочек. Каждый сегмент тяжелой це­почки, находящийся в пределах головки, делится на три фракции. Фун­кциональное значение этого деления пока еще не выяснено. Кроме тяже­лой цепочки, каждая головка содержит две, иногда три легкие цепочки. Результаты исследований показывают, что эти легкие цепочки играют роль в молекулярном привязывании и руководстве головками (Chowrashi и др., 1989).

Миозиновый хвост. При тщательном анализе миозиновой молекулы можно увидеть, что она состоит из двух частей: хвоста и головки (см. рис. 3.2). Хвост нередко называют стержнем или участком стержня миози­новой молекулы. Этот сегмент молекулы миозина, состоящий из дисталь-ного конца миозинового стержня, также называют легким меромиозином (ЛММ). К нему присоединен тяжелый меромиозин (ТММ). Этот компонент молекулы миозина включает в себя проксимальный сегмент стержня и головку. В отличие от ЛММ, ТММ обладает способностью связываться с актином.

Наука о гибкости

УЛЬТРАСТРУКТУРА
СОЕДИНИТЕЛЬНОГО ФИЛАМЕНТА:
ТИТИН

Согласно современной модели двухфиламентного саркомера, предло­женной X. Хаксли и Хенсоном (1954), а также А. Хаксли и Нидергерке (1954), сокращение мышцы происходит благодаря связыванию и движе­нию филаментов актина и миозина. Два филамента двигаются или сколь­зят относительно друг друга, изменяя степень взаимного перекрытия, тог­да как их длина не изменяется. Однако, если взглянуть на классическую иллюстрацию организации саркомера (см. рис. 3.2), возникают следующие вопросы:

• во-первых, почему создается впечатление, что филаменты миозина
плывут?

• во-вторых, что удерживает саркомер воедино?

Структура саркомера кажется полностью нелогичной. Неизменной особенностью мышцы является центральное положение миозина в сарко-мере, посередине между Z-линиями. Это положение сохраняется даже при растяжении саркомера.

Что же удерживает миозин в центре? Ответом на этот вопрос является наличие соединительного филамента — титина (рис. 3.4 и 3.5).

До начала 1990-х гг, в большинстве учебников по физиологии, гисто­логии и даже анатомии об этих филаментах почти не упоминалось. По мнению Маруямы (1986), это объяснялось тем, что они не очень четко впи­сывались в теорию скольжения филаментов.

Структура титина.Спустя несколько лет после идентификации сое­динительных филаментов Ванг (1985) приступил к тщательному биохими­ческому анализу белка коннектин. Исследования показали, что коннектин состоит из двух белков: титина и небулина.

На сегодняшний день титин является наиболее крупным белком, его молекулярная масса равна 2,5-3,0 Da (Maruyama и др., 1984; Kurzban и Wang, 1988). Титин составляет около 10 % миофибриллярной массы (Trinick, Knight, Whiting, 1984; Wang, Ramirez-Mitchell, Palter, 1984).

Соединительный

филамент

(титин)

Толстый филамент (миозин)

Тонкий филамент (актин)

Рис. 3.4. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая расположение основных структурных элементов саркомера (Pollack, 1990)

Глава 3 Сократительные компоненты мышцы

ОТКРЫТИЕ ТИТИНА

Открытие титина имеет длинную историю. Первая трехфила-ментная модель, включавшая эластичный филамент, была предложе­на X. Хаксли и Хенсоном (1954; рис. 3.5, а). Они высказали предпо- ложение о существовании S-филаментов — тонких растяжимых фи-лзментов, соединяющих концы филаментов актина. Однако они не, включили S-филамент в свою модель capкомepa~(Page и. Huxley, 1963). Спустя несколько лет А. Хаксли и Пичи (1961; рис. 3.5, г) упо­мянули в своем исследовании возможное присутствие «тонких фила­ментов», соединяющих концы филаментов миозина и актина. В том" же году Карлсен, Кнаппельс и Бухталь (1961) сообщили о том, что наблюдали филаментные структуры в «щелевом пространстве» меж-ду сильно растянутыми филаментами актина и миозина. В 1962 очень тонкие филаменты также наблюдал Сйостреод в «щелевом³¹ участке» между филаментами актина и миозина при экстремальном" растяжении мышцы. Он назвал их «щелевыми филаментами» и выс- казал предположение, что они связаны с концами миозиновых фила- ментов. Пейдж и Хаксли (1963) подтвердили это предположение. В это же время Обер и Куто(1962_Г 1963; рис 3.5, б), изучая мыш-цьт насекомых, показали, что филаменты мнозина связываются с-Z-линиями при помощи отличного от филаментов актина. Чуть позже Принт (1967) назвал его «С-филаментом». Приблизительно в тоже самое время Мак-Нил и Хоул (1967; рис. 3.5, в) выявили, на фотогра-фиях наличие «супертонких» филаментов, идущих параллельно тон-ким и толстым филаментам, они назвали их «Т-филаментами». Похо­жие результаты были опубликованы Уолкоттом и Риджвеем (1967).' . Наконец, в 1968 г. состоялся симпозиум, посвященный мьщцам котором обсуждались различные трехфиламентные модели, однако к единому - мнению ученые так и не пришли (Wang, 1984).

. В середине 1970-х го­дов был проведен целый ряд очень интересных ис­следований (Locker. Leet, 1975, 1976а, 19766; Loc­ker, Daines, Leet, 1976), в -которых подробно анали­зировалось, поведение «щелевых филаментов» в сильно растянутой мышце быка. Вскоре эти филаметы стали известны как

рис35. Схематические диаграммы ряда моделей „меты стали известны как саркомеров с тремя филаментами (Wang,1985) .

Наука о гибкости

Тонкие Щель филамешы

Толстые филаменты - [-полоса -

Щель

Ряс. 3.6. Непосредственное доказательство наличия соединителышх филаментов в
летательной мышае рабочей пчелы <а). Примеры филаментов коннектина (титина)
в сильно растянутой мышце лягушки Id). Изображение замороженной летательной
мышцы рабочей пчелы (в) (Pollack, 1990)

30

Г л ав а 3 ■ Сотфатительныв компоненты мышцы

«G-филаменты» (рис. 3.5, д). На рис. 3.6 представлены фотографии, иллюстрирующие наличие этих соединительных филаментов. Во время фиксаций тонкие филаменты были деполимеризованы и смы-. ты. Соединительные филаменты остались нетронутыми и видимыми стрелка) (рис. 3.6, а). Толстые филаменты (в центре) не заканчива_г ются; они «уступают» место более тонким «соединительным» фнла-Рментам (стрелки), которые простираются до Z-линии. Концы тонких • филаментов, видимые по краям рисунка, не накладываются на.тон--; стые филаменты"(рис. 3.6, б). Тонкие филаменты удалились от 2,-ли-нии (стрелка). Соединительные филаменты видны в I-диске (стрелка) (рис. 3.6, в)

В 1976 г, Маруяма, Натори иНономура приступили к изучению
эластичности мышц. Им удалось отделить эластичный белок от мио-
фябрлл, который явно отличался от эластина и коллагена. -Маруяма:
- (1976) предложил назвать внутриклеточный эластичный белок кои-
нектином,. Спустя год было установлено, что структура коннектина
обусловливает механическую непрерывность и передачу напряжения"
поперечнополосатой мышце (Maruyama и др., 1977).

Ванг, Эш и Сингер (1975) предприняли попытку выявить белок иламента гладкой мышцы в поперечнополосатой мышце."Однако овершённо случайно Ванг обнаружил три белка с высокой молеку-рной массой. Ванг, Мак-Клур и Ту (1979) назвали этот белок тити-гам.Вскоре Мдруяма с коллегами (19S1) подтвердили, что титин Ванга идентичен коянектину. Таким образом, спустя почти 20 лет ис­следований третий филамент саркомера был идентифицирован. Ис- -следования показывают, что каждая молекула титина простирается от Z-линии (конец саркомера) до М-линии (центр саркомера) (Fiurst'H др., 1988; Itoh и др, 1988; Wang, Wright, Ramirez-Mitchell, 1985; Whiting, Wardale, Trtnick, 1989). Кроме того, результаты указанных-выше исследований показали, что участок А-диска титина тесно при- -вязан к "толстому филаменту. Поэтому при растяжении саркомера участок молекулы титина, расположенный в А-диске, ведет себя так, будта он прочно прикреплен к толстым филаментам. Участок моле­кулы'титина, связанный с Z-линиями, проявляет эластичность-Именно эта эластичность является решающим фактором в.нашем по­нимании сущности гибкости.

Что делает титиновый филамент столь эластичным?Теоретичес­ки ряд факторов обусловливают существенную растяжимость титина. Во-первых, титин содержит большое количество аминокислоты пролин, которая расщепляет а-спиралевидные цепочки, обусловливающие ригид­ность полипептидов (Pollack, 1990). Во-вторых, как следствие этого, от­дельная молекула титина не содержит никакой а-спиралевидной структу­ры. Наоборот, она состоит из произвольных витков (Trinick, Knight,

Наука о гибкости

Whiting, 1984). В-третьих, отдельный пептид с молекулярной массой, рав­ной 3 млн Da, может достигать длины до 7,0 мкм. В то же время в покое длина саркомера составляет около 2,4 мкм, а при максимальном растяги­вании — 7,0 мкм. На основании этих данных было высказано предполо­жение, что титин должен быть компактно «упакован» в саркомере (Maruyama, 1986). Таким образом, в случае начального растягивания мышцы сегмент титина, находящийся между концом миозинового фила-мента и Z-линией, является главным фактором, обусловливающим увели­чение длины саркомера (Trombitas и др., )993). После того как этот сег­мент титина достигнет предела своей длины, рекрутирование дополни­тельных «завернутых» (скрученных) или каким-то образом прикреплен­ных к филаменту миозина сегментов титина обусловливает дальнейшее увеличение длины саркомера (Wang и др., 1991). Однако и эта структура имеет свои пределы.

Регулирование растяжимости мышц.В связи с вышесказанным попытаемся ответить на следующие вопросы. Во-первых, что регулиру­ет растяжимость мышц? Во-вторых, можно ли повлиять на фактор(-ы), регулирующий(-е) растяжимость мышц, таким образом, чтобы уве­личить гибкость? Первый вопрос изучал Ванг с коллегами (1991). В ре­зультате проведенных исследований они установили, что длина и разме­ры имеют большое значение, если необходимо определить, когда сарко-меры производят напряжение покоя при растягивании и куда исчезает саркомер при нагрузке. Например, мышцы, выражающие более крупные изоформы титина (т.е. структурные варианты), как правило, инициируют напряжение при большей длине саркомера, а также достигают своего предела эластичности. А мышцы, выражающие более длинные изо­формы титина, развивают наименьшее напряжение. Ученые также приш­ли к выводу, что различные мышечные группы выражают различные ти­пы титиновых изоформ и, таким образом, проявляют различные кривые нагрузки-растяжения.

Эти данные говорят о том, что «клетки скелетной мышцы могут кон­тролировать и модулировать туго подвижность и предел эластичности на основании избирательного выражения определенных изоформ титина» (Wang и др., 1991). Любопытно, что наблюдаемые анатомические изме­нения изоформ титина отмечаются в мышцах из различных участков те­ла (Akster, Granzier, Focant, 1989; С. Hill, Weber, 1986; Wang, Wright, 1988).

Возникает вопрос, могут ли тренировочные занятия повлиять на опре­деленные изоформы титина? К сожалению, до настоящего времени он ос­тается открытым.

В последнее время изучался и другой весьма важный вопрос: како­ва взаимосвязь между расщеплением титина и различными нервно-мы­шечными расстройствами, такими, например, как синдром Шварца-Ям-пеля (Soussi-Yanicostas и др., 1991) и мышечная дистрофия Дюшенна. По мнению Мацумуры и коллег (1989), расщепление титина, «даже вто­ричное, скорее всего, играет важную роль в патогенезе миофибрилляр-ной дегенерации при мышечной дистрофии Дюшенна». Другим важным

Глава 3- Сократительные компоненты мышцы

аспектом является влияние на титиновые изоформы различных медика­ментов.

Весьма важным представляется также выяснить, изменяется ли mo-форма титана вследствие травмы. Если да, то как реагирует организм в случае макротравмы? Могут ли происходить изменения в изоформе вслед­ствие, например, хронически неправильной осанки? Эти и другие вопросы требуют подробного изучения.

Функция титина.Ученые считают, что титин выполняет две важные функции. Во-первых, поскольку эластичные элементы связывают каждый конец толстого филамента с Z-линией, филаменты титина производят нап­ряжение покоя, то есть напряжение, имеющее место при нормальной фи­зиологической длине мышечного волокна и увеличивающееся по мере уд­линения расслабленного волокна; кроме того, они производят силу, кото­рая центрирует толстые филаменты в саркомере (Horowits, 1992). Во-вто­рых, предполагают, что титин играет определенную роль в морфогенезе миофибрилл (Fulton, Isaacs, 1991; Pollack, 1990).