А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 83
Текст из файла (страница 83)
Этасвязь центров, естественно, действует и в обратную сторону: комплексымиозин-АтФ и миозин-АдФ-Ф слабо связываются с актином, а константасвязывания с актином комплекса миозин-АдФ и «пустой» миозиновой головки в 10 000–100 000 раз больше.В ходе каждого цикла расходуется одна молекула АтФ — тогда, когдацикл идет в сторону, вызывающую сокращение мышцы, а не в противоположную (в последнем случае АтФ, в принципе, должен был бы синтезироваться, хотя бы и чрезвычайно медленно; впрочем, для обращения реакцииАтФ → АдФ + Ф надо было бы снизить концентрацию АтФ с «обычной»,миллимолярной, до субпикомолярной — а это привело бы к распаду актиновых386нитей!).
свободная энергия, получаемая при гидролизе АтФ [≈ 15 ккал/мольАтФ при типичных для мышц концентрациях АтФ (≈ 10–3 М), АдФ(≈ 10–5 М) и Ф (≈ 10–3 М)], расходуется на сокращение мышцы, закрепляякаждый ведущий к нему шаг.Рис. 25-9. Механохимический цикл миозиновой головки. Изображены макроскопические состояния миозина и связанные с ним на разных стадиях этого цикламалые лиганды.
Головка миозина сильно связана с актином на стадиях 1′, 1″, 1′′′(макроскопическое состояние R′, a+), слабо — на стадиях 4 (A, a+) и 1 (R″, a+),а на стадиях 2 (R″, a–) и 3, 3′ (A, a–) она с актином не связана. На стадиях 1 (R″,a+), 1′, 1″, 1″′ (R′, a+), 2 (R″, a–) головка согнута, а на стадиях 3 (A, a–), 3′ (A, a–)и 4 (A, a+) — выпрямлена. При переходе от стадии 1″′ к 2 в моторном домене головки открывается щель (т.
е. конформация R′ переходит в R″), а при переходе от 1к 1′ (от R″ к R′) — щель закрывается. В несвязанной головке (а–) щель открыта.При переходе от стадии 2 к 3 и от 4 к 1 головка меняет свой изгиб, причем переход от 4 к 1 (во время которого она связана с актином) сопровождается «силовымударом», ведущим к сдвигу всего миозинового волокна относительно актиновогопримерно на 50 Å. Переход от стадии к стадии является либо переходом по макроскопическому циклу (связанному с изменением конформации миозина или его связи с актином), либо переходом по микроскопическому циклу (связанному с изменением связи миозина с малыми лигандами, т.
е. АтФ или продуктами его гидролиза,АдФ и Ф). Переход от состояния 4 к состоянию 1 состоит из двух элементарныхактов (одного — по макроциклу, и одного — по микроциклу; это изображенодвойной стрелкой); порядок этих актов еще не вполне выяснен: отход фосфата (Ф)от миозина может либо предшествовать силовому удару, либо следовать за ним.В переходе 1″′ → 2, также отмеченному двойной стрелкой, открытие щели в головке может либо предшествовать отрыву от актина, либо следовать за ним. тепереходы, которые практически необратимы при существующих внутри мышцыконцентрациях АтФ, АдФ и Ф, показаны однонаправленными стрелками, а те,что легко обратимы, — двунаправленными (обратите внимание, что необратимы«силовой удар» и отход связавшей АтФ головки от актина, а само связывание АтФи его расщепление — обратимы)387Исследователей мышц издавна занимал вопрос о том, каким устройством энергия химической реакции (АтФ → АдФ + Ф) превращаетсямышечную тягу.
Ведь сам химический акт (сколько бы времени ни затрачивалось на его подготовку и на ожидание флуктуации, преодолевающейактивационный барьер) занимает время порядка времени колебания валентной связи, т. е. ~10–14 с. При этом участвующие в химическом превращении атомы смещаются примерно на 1 Å. А миозиновая нить смещаетсяна длину «силового удара» (≈ 50 Å) за ~10–3 c — время, триллион раз большее, чем химический акт! Где же запасается химическая энергия на этовремя? существует гипотеза, что она запасается в каких-то эластичныхэлементах белка.
Однако поиск этих элементов пока не дал определенныхрезультатов: все элементы белка обладают некоторой эластичностью —но найти тот, что за счет эластичности обеспечивает смещение на 50 Å,так и не удалось. Однако — нужен ли такой эластичный элемент для работы мышцы? Представляется, что для «силового удара» достаточен сампо себе поворот рычага при переходе из менее стабильной (при наличии связанного АдФ) атакующей (A) конформации в более стабильную(опять-таки, при наличии АдФ) согнутую (R) конформацию. И неважно,будет ли такой переход идти все время «под уклон» (как при релаксацииэластичного напряжения), или будет требовать «неэластичного» переваливания через какой-то барьер — при условии, что тот не высок и преодолевается тепловой флуктуацией за биологически-разумное время.другая проблема. рисунок 25-9 может создать впечатление, что работамышцы требует, по крайней мере на стадии «силового удара», синхронного структурного перехода во всех близко друг от друга расположенныхи связанных с актином головках миозиновой нити.Это впечатление, однако, неверно.
«работающие» головки не расположены в миозиновой нити близко друг от друга. В каждый моментвремени «работает», толкая актин, только 1–2 % головок, а остальныеждут своей очереди. Эксперимент показывает, что в работающей мышцекаждая головка миозина щепит около 20 молекул АтФ в секунду. Однако за 1 / 20 с головка смещается относительно актиновой нити не на 50 Å(длину шага «силового удара»), а на 3000–4000 Å! Значит, 98–99 % времени от этой 1 / 20 с головка, не касаясь актина, едет на чужих плечах (и, готовясь к «силовому удару», претерпевает изображенные на рис.
25-9 стадии2, 3, 3′). Потом, менее чем за тысячную долю секунды, она наносит свойудар по актину — и едет на чужих плечах (точнее, «головах») дальше…В результате число связанных с актином головок, в расчете на миозиновую нить, исчисляется лишь штуками (из сотен в этой нити присутствующих), а расстояние между упирающимися в актин головками составляет388тысячи ангстрем — что, по-видимому, исключает необходимость жесткойсинхронизации их действий.сочетание крупномасштабного конформационного изменения головкис чередованием ее связанного и не связанного с актином состояний напоминает движение весла при гребле (которое тоже — цикл: «весло позади в воде — весло позади в воздухе — весло впереди в воздухе — весловпереди в воде — весло позади в воде — …», ср.
с рис. 25-9). Итак, миозиновая нить движется по актиновой примерно так же, как лодка по воде(точнее — как многовесельная лодка, где каждый момент гребет, расходуясвою молекулу АтФ, лишь один гребец из ста).В заключение я хочу показать вам, как работает белок кинезин(я буду говорить об одном из типов кинезина, о кинезине 1).
Этотбелок, сжигая АтФ, транспортирует мрНк, белковые комплексы и т. д.вдоль микротрубочек, делая один шаг длиной 8 нм от ее «–» к «+»концу на каждую расщепленную молекулу АтФ (рис. 25-10). кинезин,как и миозин, сопрягает «макроскопический», т. е. механический циклперемещения своих «головок» (на самом деле, служащих ногами)с «микроскопическим», т. е. химическим циклом расщепления АтФ.В ходе «микроцикла» головка кинезина («моторный домен») можетбыть связана с АтФ, может быть связана с АдФ и может быть«пустой».
В ходе «макроцикла» головка кинезина может иметь 4положения. Во-первых, она может быть «задней» (т. е. находящейсяпозади «шеи» димера, ближе к «–» концу микротрубочки), и можетбыть «передней» (т. е. находящейся впереди «шеи», ближе к «+» концумикротрубочки).
Во-вторых, в каждом из этих двух положений головкаможет быть связанной с тубулином и может быть несвязанной с ним.При этом, из-за взаимодействия с по-разному («впереди» и «сзади»)относительно головки расположенным линкером, «задняя» и «передняя»головки имеют чуть разные конформации, и потому — разныесвойства. Подтверждаемые экспериментом условия, необходимыедля однонаправленного движения кинезина по микротрубочке: (1) АтФрасщепляется только «задней» головкой: (2) АдФ может уйти толькоиз «передней» головки; (3) головка, на которой сидит АдФ, связываетсяс тубулином слабо (и в «заднем», и в «переднем» положении), такчто такая головка может отсоединиться от турбулина; (4) «пустая»головка, а также головка, связавшая АтФ, сильно связана с тубулиноми практически не может отсоединиться от него. При этом кинезин всевремя связан с микротрубочкой хотя бы одной головкой, а другая можетдиффузионно перемещаться из того положения, где АдФ не может от нееоторваться, в то, где АдФ может эту головку покинуть.389Рис.
25–10. схема движения димерного кинезина 1 по тубулиновой микротрубочке. Верхушки глобул тубулина (их диаметр — 4 нм) изображены полусферами.скругленными треугольниками двух разных цветов изображены две головкикинезина, двойной спиралью — их общая шея, линиями — «линкеры», соединяющие шею с головками участки кинезина. Обе головки кинезина одинаковы и прикрепляются к микротрубочке в одинаковой (относительно тубулина) ориентации.Показан полный акт перемещения кинезина, состоящий из двух шагов, каждыйиз которых сопрягает «макроцикл» с «микроциклом».
каждая светло-серая стрелка отвечает одному элементарному акту движения головки кинезина. длиннаяпунктирная серая стрелка показывает диффузию головки на плюс или минус 16 нм(при этом шейка кинезина — по ней удобно следить за смещением этого димерного белка, как целого — смещается на 8 нм). каждая черная стрелка отвечаетодному элементарному акту изменения состояния субстрата (T = АтФ, D = АдФ,P = фосфат). те переходы, которые практически необратимы при существующихвнутри клетки концентрациях АтФ, АдФ и фосфата, показаны однонаправленными стрелками, а те, что легко обратимы, ― двунаправленными.
рисунок составленпо статье Yildiz, Tomishige, Gennerich, Vale, Cell (2008) 134:1030–1041В результате кинезин шагает по тубулину, мышцы сокращаются, легкиекачают воздух, кислород связывается с гемоглобином, который передаетего миоглобину, который передает его мышцам и другим органам, — и такмы дышим и живем.390Послесловиек моему глубочайшему сожалению, мне приходится дописывать этистраницы в одиночестве: мой учитель, О. Б. Птицын, скончался...
Поэтомуза все недостатки этого курса несу полную ответственность я один, и я будублагодарен читателям, мне о них сообщившим.А. В. Финкельштейн2000 г.afinkel@vega.protres.ruStryer L. Biochemistry. 4th ed. — N. Y.: W. H. Freeman & Co., 1995. Ch. 1–3,7–16, 34–36.[10] Полинг Л. Общая химия. — М.: Мир, 1974.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
