Механизм мышечного сокращения

В основе мышечного сокращения лежит взаимодействие между тонкими и толстыми протофибриллами ( актиномиозиновый комплекс), регулируемое ионами Са²⁺. Концентра­ция ионов Са²⁺ в саркоплазме клеток покоящейся (расслабленной) мышцы относительно низкая (< 10^-7 М), за счет их постоянного перекачивания кальциевыми насосами из саркоплазмы в цистерны эндоплазматического ретикулюма. При действии электрического сигнала (нервного импульса), кальциевые каналы на мембранах эндоплазматического ретикулюма открываются, и транспорт ионов кальция по электрохимическому градиенту повышает их концентрацию саркоплазме. Связывание 4–х ионов Са²⁺ с ТпС приводит к запусканию цепи конформационных превращений белков тропонинового комплекса актиновой нити, связыванию ее с головкой миозиновой нити.

Тянущая сила, которая вызывает движение мо­лекул миозина вдоль нитей актина, возникает за счет структурных изменений, происходящих в ката­литическом центре миозина после гидролиза моле­кулы АТФ. Механизм работы миозина можно сравнить с функциони­рованием механического устройства, в котором головка и шейка миозинового мостика выполняют 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). При гидроли­зе АТФ в головке миозина происходят структурные перестройки, в результате которых зацепленная за нить актина головка миозина поворачивается на угол 30 - 40°, увлекая за собой хвост миозина . 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. 4). 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. 4, 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 на угол а - 30-40° приводит к смещению хвоста на расстояние 20 нм, что приблизительно в пять раз больше рабочего шага миозина скелетных мышц.

В процессе сокращения мышцы каждая головка миозина совершает многократные повороты, перио­дически изменяя угол своего наклона относительно нити актина. В расслабленной мышце миозиновый мостик отделен от актиновой нити (рис. 5, состояния 1 и 2). Свободная головка миозина обладает опреде­ленной степенью подвижности; за счет шарниров, расположенных в местах соединения фрагментов S1 и S2, угол ее наклона относительно хвоста может изменяться. При связывании молекулы АТФ с ак­тивным центром миозина его головка остается от­соединенной от актина ( состояние 7). В каталитическом центре миозина молекула АТР рас­щепляется на ADP и Р, (рис. 5, переход "состояние 1- состояние 2"). Образующиеся при этом молекулы ADP и Р, остаются прочно связанными с каталитическим центром. Гидроли­з молекулы АТР сопровождается присоединением го­ловки миозина к актиновой нити: сначала образует­ся слабая связь (состояние 3), затем возникает более прочная связь (состояние 4). При этом вращатель­ная подвижность миозинового мостика становится ограниченной. Прочное связывание головки мио­зина с актином инициирует освобождение фосфата Р, из активного центра (переход "состояние 4- состояние 5"). Изменения, происходящие в каталитическом центре после отщепленияР, вы­зывают дополнительное увеличение сродства мио­зина к актину. В результате этого появляется сила, вызывающая поворот мостика в сторону хвоста (пе­реход "состояние 5- состояние 6"). Вместе с поворотом мостика смещается вдоль нити актина хвост миозина, который соединен с мостиком с по­мощью "шарнирного" сочленения. Благодаря про­дольному смещению хвоста миозина происходит сокращение длины саркомера. После смещения го­ловки миозина, молекула ADP освобождается из каталити­ческого центра, а ее место занимает новая молекула АТР (переход "состояние 7 -состояние 8"). Это превращение сопровождается отсоединением головки миозина от актина, завершающим цикл структурных преобразований, происходящих в ак­тивном центре миозина. В результате многократно повторяющихся циклов гидролиза АТР возникает направленное скольжение нитей миозина и актина друг относительно друга.

Рис. 5. Цикл структурных превращений актино-миозинового комплекса, приводящих к смещению молекулы миозина вдоль нити актина

В мышечных волокнах молекулы миозина рабо­тают не индивидуально, а кооперативно, в составе крупных макромолекулярных ансамблей. Как мы уже отмечали, в миофибриллах молекулы миозина собраны в жгуты, из которых выступает множество миозиновых мостиков в сторону нитей актина (см. рис. 4). Показано, что во время сокращения мышцы лишь сравнительно небольшая часть мос­тиков (10—15%) одновременно находится в контак­те с окружающими их нитями актина. Это значит, что каждый из мостиков большую часть времени проводит в свободном состоянии, когда он непо­средственно не создает тянущей силы. При этом молекулы миозина, у которых мостики отсоединены от актиновых нитей, во время сокращения саркоме­ра перемещаются вместе с остальными молекулами миозинового жгута. Такое движение свободных (не­связанных) мостиков происходит за счет работы других мостиков, которые в это время непосредст­венно взаимодействуют с нитями актина. Это зна­чит, что каждый мостик не просто шагает вдоль ни­ти, равномерно ступая между соседними звеньями актиновой цепи, а как бы прыгает вдоль нее. Длина таких прыжков составляет 36—38 нм (рис. 6, а), что многократно превышает размер индивидуального шага (As = 4 нм). Таким образом, сокращение мы­шечных волокон обеспечивается за счет коопера­тивной работы большого количества молекул мио­зина, собранных в толстые нити. Движение пучка молекул миозина вдоль нити актина можно срав­нить с перетаскиванием бревна большой группой работников, из которых лишь небольшая часть тру­жеников (10—15%) опирается ногами на землю, в то время как остальные работники в это время висят на бревне, не касаясь земли. Подобно мостикам мио­зина, работники периодически меняются ролями, однако в каждый момент времени активно работает лишь небольшая часть тружеников, несущих брев­но вместе с висящими на нем товарищами (рис. 5,6).

Кооперативный способ работы молекул миози­на, характерный для скелетных мышц, встречается также в некоторых других сократительных систе­мах. Известна, однако, большая группа моторных белков, которые работают индивидуально; цикл их механохимических превращений протекает в рав­номерном режиме, а перемещение происходит от­дельными шагами, без длинных прыжков, харак­терных для миозина скелетных мышц. К таким молекулярным моторам относятся некоторые клас­сы внемышечных миозинов, работающих в клетках животных и растений в качестве перевозчиков мем­бранных частиц. Простейшие молекулы миозина, выполняющие работу индивидуальных переносчи­ков (например, миозин класса I), имеют глобуляр­ную головку и короткий хвост.

Рис. 6.Схема перемещения молекулы миозина вдоль нити актина

Двигаясь вдоль нити актина цитоскелета, молекула-переносчик может тащить за собой органоид, к которой она прикреп­ляется своим хвостом. Таким способом молекулы миозина осуществляют перенос различных час­тиц и органоидов в клетке.

Движение органоидов при помощи белков-переносчиков хорошо исследовано в гигантских клетках зеленой водоросли Nitella. На периферии клетки, рядом с плазматической мембраной, находится слой хлоропластов. Хлоропласты примыкают к так называемо­му кортикальному слою, который содержит пучки актиновых нитей цитоскелета. Между неподвижными корти­кальным слоем и мембраной вакуоли расположен слой движущейся цитоплазмы, в котором находят­ся ядра, митохондрии и другие органеллы. Молеку­лы миозина совершают круговое движение внутри клетки, равномерно перемещаясь вдоль нитей ак­тина и увлекая за собой сравнительно крупные ор­ганеллы (митохондрии, эндоплазматический ретикулум, ядра и др.). Скорость перемещения органелл составляет 50-75 мкм/с. Благодаря такому движе­нию, в гигантской клетке водоросли возникает цир­куляция цитоплазмы, за счет которой ее содержимое перемешивается гораздо быстрее, чем это происхо­дило бы путем простой диффузии. Гигантские клет­ки зеленых водорослей достигают длины 2-5 см, поэтому без принудительной циркуляции цито­плазмы молекулам белков потребовалось бы около 10 суток для диффузии с одного конца клетки на другой.

Пока не разгадан механизм движения хлоропластов в цитоплазме клеток водорослей и высших растений. Известно, что при освещении растений хлоропласты быстро перемещаются внутри клетки, собираясь вблизи клеточной стенки. Хлоропласты зеленой водо­росли Chara могут часами вращаться (один оборот за 2-3 с) в одном и том же направлении в капле про­топлазмы, выдавленной из клетки.

В работах В.П. Скулачева с сотрудниками показано, что враще­ние хлоропластов - это энергозависимый процесс, который поддерживается за счет протонного по­тенциала. Однако, механизмы использования энергии мембранного потенциала для движения хлоропластов пока неизвестны.

Хорошо изученным из внутриклеточных двигательных белков являются молекулы кинезинового типа. Кинезин в животных клетках выполняет функцию пе­реносчика различных органоидов (митохондрий, лизосом) и внутриклеточных частиц. В клетках дрожжей найдено шесть белков, похожих на кинезин. В клетках мышей обнаружено более двух десят­ков подобных белков. Двигаясь вдоль микротрубо­чек (рис. 7), молекула кинезина может тянуть за собой сравнительно крупные субклеточные части­цы.

Рис. 7. Схема перемещения молекулы кинезина вдоль тубулиновой микротрубочки,. Буквами Т и D обозначены головки кинезина, с которыми связаны соответственно АТФ или AДФ. В исходном положении (состояние 1 ) головка кинезина, не связанная с микротрубоч­кой, содержит молекулу AДФ, вторая головка, ко­торая в это время контактирует с микротрубоч­кой, свободна от нуклеотидов. После связывания АТФ второй головкой изменяется конформация молекулы кинезина, в результате чего первая го­ловка, содержащая AДФ, смещается вправо (пере­ход 1 →2). После диссоциации AДФ свободная головка связывается с микротрубочкой (переход 2 →3). Затем происходят гидролиз АТФ и дис­социация фосфата (Р,), в результате чего головка, с которой связана молекула AДФ отходит от мик­ротрубочки (переход 3 →4). В конечном поло­жении (состояние 4) углы наклона головок кине­зина относительно микротрубочки такие же, как в исходном состоянии 1, но при этом молекула кинезина оказалась смещенной вдоль микротру­бочки на расстояние, соответствующее двум мо­номерным звеньям тубулина а и тубулина Р

Как отмечали в выше, тубулиновые микротрубочки цитоскелета состоят из гло­булярных белков двух типов (α- и β-тубулин).

По структурным и биохимическим свойствам кинезин напоминает миозин. Молекула кинезина представляет собой димер, образованный двумя одинаковыми полипептидными цепями. Подобно молекуле миозина, с одной стороны каждой полипептидной цепи кинезина формируется глобуляр­ная головка, соединенная со сравнительно длинным хвостом. Линейные размеры головки сравнительно невелики, они составляют 7,5 х 4,5 х 4,5 нм. Хвосты двух мономерных цепей сплетены вместе, а на­клоненные в разные стороны головки образуют своеобразную рогатину, которая непосредственно взаимодействует с глобулярными мономерами мик­ротрубочки, вдоль которой перемещается кинезин (рис. 7).

Каждая из двух головок кинезина обладает АТФ-азной активностью. Связывание и гидролиз молекулы АТФ в активном центре кинезина, а также последующие события, вызванные диссоциацией AТФ сопровождаются изменением положения головок относительно тубулиновых мономеров, в результате чего кинезин перемещается вдоль микротрубочки. Работа головок кинезина хорошо ско­ординирована: связывание и пиролиз молекулы АТФ одной головкой димерного комплекса способ­ствует освобождению молекулы ADP из активного центра другой головки. Головки кинезина попере­менно связываются с мономерными звеньями мик­ротрубочки. На рис. 7 показана одна из наиболее вероятных схем работы кинезина, которая объясня­ет, каким образом происходит перемещение кине­зина вдоль микротрубочек. В ходе структурных пе­рестроек моторных участков кинезина угол наклона головок относительно микротрубочки изменяется, вследствие чего кинезиновый димер смещается вдоль микротрубочки. Это движение по своему ха­рактеру напоминает перемещение двуногого суще­ства — головки кинезинового димера попеременно опираются на тубулиновые глобулы микротрубоч­ки.

Один шаг димерного комп­лекса приводит к его смещению вдоль микротру­бочки на расстояние 8 нм. Длина шага в точности соответствует размеру двух мономерных глобул (a-тубулин и b-тубулин), из которых построе­на микротрубочка. Одна молекула кинезина обыч­но совершает не менее 100 шагов, прежде чем она отделяется от микротрубочки. Кинезин движется с поразительно быстрой скоростью. За одну секунду он делает приблизительно 100 шагов, перемещаясь за это время на расстояние 800 нм. При этом сила, развиваемая одной молекулой кинезина, составля­ет величину F = 6 пН. Если бы такой мощностью в расчете на единицу массы обладали автомобильные моторы, то они могли бы легко разгонять машины до скоростей, существенно превышающих скорость звука. Коэффициент полезного действия кинезинового мотора также велик. Совершаемая им за один шаг работа равна DW= FDl = 48 пН × нм, что составляет около 60% от энергии, выделяемой при гид­ролизе одной молекулы АТФ. Работая в качестве ин­дивидуального молекулярного извозчика, кинезин может совершать перемещения на очень большие расстояния (до 1 мм).

Как видно из вышеизложенного, перемещение живых систем и их компонетов в пространстве осуществляется путем взаимодействия различных типов белковых молекул, так называемых механохимических белков. Для генерации движения эти молекулы используют энергию или трансмембранного потенциала (у прокариот), или гидролиза молекул АТФ. В последние годы, в клетках различных организмов, обнаружено большое количество белковых молекул, ответственных за сократительную активность, подвижность и транспортные процессы в клетке. Одних только механохимических белков типа миозина в клетках различных организмов насчиты­вается более 15 семейств и свыше 84 видов. Важным достижением в исследовании мо­лекулярных моторов явилась разработка новых био­физических методов регистрации подвижности белков, которые позволили непосредственно на­блюдать за движением отдельных моторных белков и их фрагментов.