Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Прн потреблении энергии конформационные переходы теряют обратимость и становятся упорядоченными; перемещение обретает направленность и белок совершает полезную работу [438). Он может, например, "пройти" вдоль тонкой нити филамента, микротрубочки илн двойной спирали ДНК. Такими аллостерическими "шагающими" белками, использующими энергию гидролиза АТР, являются ДНК-геликаза, участвующая в репликации ДНК, кинезин и дайнеин, обеспечивающие внутриклеточную подвижность, и мышечный белок миозин, структуре и функциям которого в основном посвящен этот раздел.
Миозин является белком многих качеств. В сокращении скелетных, сердечных и гладких мышц и во внутрвклеточных движениях он одновременно выполняет, по крайней мере, три ключевых функции — структурную, аллостерическую н ферментативную. Наиболее полезная информация о функциях миозина была получена при исследовании поперечнополосатых скелетных мышц, сокращающихся произвольно, а также аналогичных тканей беспозвоночных, прежде всего летательных мышц насекомых. Электронно-микроскопическое изучение продольных и поперечных тонких срезов скелетных мышц, впервые проведенное в 1953 г. Х. Хаксли, выявило высокий уровень нх структурной организации [439!.
Уже в следующем году Х. Хаксли вместе с Дж. Хенсоном предложили так называемую модель скользящих нитей, которая имела основополагающее значение для понимания природы и молекулярного механизма мышечных сокращений [440). Скелетные мышцы — это пучки мышечных волокон, наиболее крупным повторяющимся структурным элементом которых является мнофибрилла — цилиндрическая нить диаметра 1 — 2 мкм (1000-2000 А), идущая от одного конца клетки до другого. Мнофибрнлла, в свою очередь, содержит белковые филаменты двух типов: толстые и тонкие. Основной белок толстых нитей — мнозин, тонких — актин.
Миозиновые и актиновые филаменты в мнофибрилле строго упорядочены. Функциональной сократительной единицей миофнбриллы является саркомера, имеющая длину около 2,5 мкм и разделяющаяся на 1- н А-днскн (рнс. 1.31). Толстые филаменты (длина — 1,б мкм н толщина 0,015 мкм) тянутся от одного края А-днска до другого, а тонкие (длнна — 1,0 мкм и толщина 0,008 мкм) идут от 2-линии и заходят в промежутки между толстыми филаментами А-диска. При мышечном сокращении каждая саркомера укорачивается пропорционально всей мышце, причем сжимается только 1-диск, а плотный А-диск не изменяет своих размеров, Суть модели скольжения филаментов, предложенной Хаксли и Хенсеном, в том, что сокращение миофибриллы, а следовательно, и мышечного волокна происходит в результате скольжения толстых филаментов относительно тонких при сохранении длин тех и других.
Модель скольжения нитей прошла длительную опытную проверку и наиболее убедительно была подтверждена данными прямых методов электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Они показали, что укорочение мышцы действительно не сопровождается изменениями собственных длин филаментов и характера их упаковки в саркомере.
Развиваемая мышцей сила оказалась пропорциональной степени взаимного перекрывания миозиновых и актиновых нитей и тем самым обусловленной их взаимодействиями на всем перекрывающемся участке. С появлением электронной микроскопии высокого разрешения (вторая половина 19б0-х годов; 20-40 А) удалось увидеть множество боковых отростков, образующих поперечные мостики между толстыми филаментами и расположенными на расстоянии - 0,013 мкм (- 130 А) от них тонкими филаментами.
Стало очевидно, что относительное перемещение нитей совершается с помощью этих мостиков. Они принадлежат миозину и работают, используя энергию гидролиза АТР, подобно миниатюрным веслам. О том, что АТР присутствует в мышечных волокнах, было известно с !929 г., поскольку именно из мышц он был впервые выделен К. Ломаном. То, что мнознн катализирует гидролнз АТР, т.е. является АТРазой, установили В.А. Энгельгардт и М.Н. Любимова в 1939 г. )441).
Это открытие явилось прямым указанием на источник энергии для сокращения мыпщ и роль миозина в использовании энергии. К началу 1970-х годов феноменологическая стадия исследования функционирования мышц была в основном завершена; стали известны общая схема процесса, его основные участники и источник энергии [442-445). Дальнейшее изучение заключалось в поиске ответов на вопросы о том, каков молекулярный механизм сокращения мышц, как на молекулярном уровне совершается трансформация химической энергии гидролиза АТР в механическую работу и каким образом нервный импульс приводит в движение мышечные волокна. Содержание процесса, спонтанно протекающего в клетке или организме и, следовательно, сопровождаемого понижением свободной энергии, есть не что иное, как реализация потенциальных возможностей участвующих в нем молекул.
Поэтому, какой бы ни был выбран подход к решению вопросов, связанных с механизмом работы биосистемы, он непременно должен включать изучение структурной н структурно-функциональной организации взаимодействующих молекул; в случае молекулярного механизма сокращения мышц — организации прежде всего молекул актина и миозина, главных белковых компонентов мнофибриллы, а также актиномнозиновых макромолекулярных комплексов. Изучение начинается с 121 экспериментальных структурных исследований методами электронной микроскопии, особенно криоэлектронной микроскопии, которая при благоприятных условиях может привести к разрешению на атомном уровне, рентгеновской дифракции ориентированных волокон и,рентгеновской кристаллографии [446, 4471.
В последнее время (1990-е годы) постепенно входит в практику комбинированный. подход, использующий результаты как электронной микроскопии, так и рентгеноструктурного анализа для построения согласующихся с данными двух методов атомных моделей трехмерных структур белковых молекул [448[, Подход уже нашел применение в исследованиях мышечных белков и сферических вирусов [449-451!. Для понимания молекулярного процесса знание трехмерных структур вступающих во взаимодействие белков, безусловно, является необходимым условием. Однако изучение процесса можно считать завершенным только в том случае, если он получает полностью априорную трактовку, опирающуюся исключительно на информацию о свойствах молекул в исходном [нативном) состоянии, т.е. трактовку, получаемую при использовании подхода "от структуры к функции".
Конкретно это означает возможность строго количественного описания взаимодействий соответствующих белковых структур в виде самопроизвольно протекающего, взаимообусловленного на всех своих стадиях непрерывного процесса. Если попытаться кратко охарактеризовать сегодняшнее состояние исследований механизма мышечных сокращений, то, повидимому, можно сказать, что они достигли уровня, необходимого для понимания общей схемы процесса, но еще далеки от уровня, достаточного для доказательного объяснения многих его деталей и побудительных мотивов.
Структура актииовых нитей. В состав тонких филаментов входят белки: актин, составляющий, как уже отмечалось, основу нитей, тропомнозин и тропонин. Стандартная процедура выделения актина заключается в экстракции высушенной и измельченной мышечной ткани разбавленным солевым раствором. Такая обработка расщепляет актиновые филаменты на глобулярные субъединицы, каждая из которых образована одной полипептидной цепью с молек.
массой 41,8 кДа; это глобулярный актин нли О-актив. С каждой молекулой О-актина связан один ион Сам, стабилизирующий ее глобулярную конформацию. Кроме того, с О-активом невалентно ассоциирована одна молекула АТР. При невалентной полимеризации глобулярного актина концевой фосфат АТР отщепляется и образуется фибриллярный актин или Р-антил. Полнмеризацию можно вызвать повышением концентрации соли до уровня, близкого к физиологическому.
Процесс не требует затраты энергии, хотя и сопровождается гидролизом АТР, который значительно повышает скорость полимеризации и оказывает влияние на его динамику. По данным электронной микроскопии актиновые филаменты состоят из двух цепей глобулярных молекул, длина котора!х равна — 65 А, а толщина в самой широкой части -40 А. Цепи Р-актива образуют двойную спираль, имеющую 13 молекул в шести витках, повторяющихся каждыс 360 А [452). !22 После многолетних попыток удалось закристаллизовать молекулы О-актина, причем только вместе с молекулами ДНКазы 1 в соотношении 1:1.
Поэтому трехмерная структура мономерного актина на атомном уровне стала известна из данных рентгеновской кристаллографии комплекса О-актин ДНКаза 1 !453). Одновременно была получена диаграмма рентгеновского рассеяния г-актинового волокна с разрешением 6 А и найдена ориентация О-актинового мономера в двойной спирали полимера путем сравнения рассчитанных картин рентгеновской днфракции с наблюдаемой !452), Оставшиеся неустранениыми различия отражают тот факт, что полимеризация актина сопровождается незначительными конформационными изменениями.
Но лишь отчасти, поскольку использование уточненной структурной модели О-актина в построении модели Е-актиновой нити привело недавно к лучшему совпадению результатов расчета с экспериментальными данными !454). Дальнейшее уточнение модели затруднено отсутствием для г-актина диаграммы рентгеновской дифракции более высокого, чем 6 А, разрешения. Выход может быть найден при обращении к теоретическому подходу и использованию методов конформационного анализа и молекулярной динамики !455, 456). Атомная модель г-актива, построенная путем согласования данных рентгеноструктурного анализа кристаллов О-актива и тонких филаментов г-актива, совпала с атомной моделью, реконструированной по снимкам криоэлектронной микроскопии актиновой нити [457, 458!.
С каждым актиновым филаментом тесно ассоциированы два вспомогательных белка, тропомнозин и тропоннн, главная функция которых заключается в регуляции мышечных сокращений в зависимости от концентрации ионов Саз" и, следовательно, нервных импульсов. Жесткие палочковндные а-спнральные молекулы тропомиозина длиной - 400 А лежат в продольных бороздках, тянущихся вдоль актннового филамента, придавая тем самым двойной спирали Е-актива иаобяодимую жесткость (рис. 1.32). Глобулярная форма тропоннна построена из трех разных субъеднннц (тропоннны Т, 1 и С). Тропонин Т имеет участок для связывания тропомиозина и ответственен за прикрепление всего комплекса к актиновому филаменту. При добавлении тропонина 1 к тропоннну Т и тропомиознну образуется комплекс, препятствующий взаимодействию актнна с миозином даже в присутствии ионов Саз'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
