Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Он показан на рис. 1.35 и соответствует четырехтактному процессу перехода энергии гядролиза АТР в механическую работу. На первом этапе предполагаемого механизма миозиновая головка, несущая продукты гидролнза АТР (АРР и Р;), прикрепляется к актиновому филаменту. Второй этап (" рабочий ход") начинается с изменения конформации головки, вызванного ее взаимодействием с актином, что приводит к освобождению продуктов гидролиза и возникновению в актомиозиновом комплексе напряженности, разрежающейся при продольном перемещении тонкого филамента.
По завершении движения возникают условия для присоединения к миознновой головке новой молекулы АТР, что сопровождается разрушением актин-миозиновых контактов 1этап 3). Цикл заканчивается гидролизом АТР и изменением конформации головки, которая принимает первоначальное положение. Предполагается, что каждая головка молекулы миозина проходит свой цикл независимо. Таким образом, наиболее существенные черты механизма действия актомиозинового комплекса заключаются в том, что, во-первых, реакция гидролиза АТР совершается в то время, когда миозин не взаимодействует с актином, и, во-вторых, движущая сила процесса возникает при освобождении продуктов АОР и Т-фосфата.
С описанным представлением о том, как миозиновые головки "шагают" вдоль актиновых филаментов, согласуются не только результаты кинетических исследований, но и множество экспериментальных данных, 127 полученных с использованием других методов. В частности, общепринятое представление подтверждают ставшие недавно известными трехмерные структуры мономерного актнна 1452, 453) и миозиновой головки 1471, 472], а также построенная на их основе с привлечением данных криоэлектронной микроскопии структурная модель актомиозинового комплекса с разрешением 5-8 А [474). Одна из ключевых особенностей этого комплекса, ставшая очевидной после создания модели, заключается в существовании невалентных контактов между актином и С-концевым доменом триптического фрагмента 50 кДа. Взаимодействия такого вида могут стимулировать конформационные изменения миозина в момент его сближения с актином на втором этапе процесса сокращения мышцы (рис.1.35).
Недавно при изучении скелетных мышц методом малоуглового рентгеновского рассеяния были получены данные, убедительно свидетельствующие о существенном изменении шейла миозиновой головки при нуклеотидном связывании 1483). Конформационная перестройка миозина сопровождается аллостерическнм эффектом — смыканием длинной узкой щели, находящейся на границе между толстой и тонкой половинами грушевидной головки. Результатом становятся сближение актина с нуклеотидным центром миозина и высвобождение АРР и неорганического фосфата.
В этом причина того, почему миозин представляет собой актин-зависимую АТРазу. Давно было замечено, что этапом, лимитирующим скорость каталитической реакции, является не связывание молекул АТР в активном центре и не собственно гидролиз, а освобождение продуктов ферментативной реакции, остающихся прочно связанными с миозином, что и препятствует началу следующего каталитического акта 1442, 443). АТРазная активность очищенного миозина невелика: для гидролиза одной молекулы АТР ферменту требуется — 30 с.
В присутствии актина каждая молекула миозина способна гидролизовать от 5 до 10 молекул АТР в секунду. Толстый филамент содержит — 500 миозиновых головок и все они работают одновременно, но не синхронно, втягивая актиновую нить. В новом цикле взаимодействия с актином головка присоединяется к другому мономеру тонкого филамента, расположенному ближе к Х-пластинке. Предельное сокращение мышцы развивается в сотые доли секунды (- 0,02 с). Покоящаяся мышца эластична и легко растягивается. Сокращенная мышца, наоборот, неэластична, ригидна; растяжению препятсгвуют связи между актиновыми н миозиновыми нитями, сохраняющиеся при недостаточной концентрации АТР.
Сокращение скелетной мышцы контролируется волей, проявляющейся при включении потенциала действия нервного волокна и получении сигнала от соответствующего мотонейрона. Электрическое возбуждение быстро распространяется по так называемым Т-трубочкам, которые окружают каждую мнофибриллу в области Х-пластинок. Здесь электрический сигнал передается на саркоплазматический ретикулум — систему разветвленных, сообщающихся между собой пузырьков. В момент активации электрическим импульсом, прошедшим 128 ри с.!.Зб.
Схема реакций, иидуцирующих сокращение гладких мышц н присутсгнии Саз+ Кнназа — фермент, «атаннзнрующнй сайт- сасцнфнксскос фосфорнлнронаннс легкой цспн ннознна по Т-трубочкам, саркоплазматический ретикулум выбрасывает в цитозоль большие количества ионов Сай+, что посредством вспомогательных мышечных белков поддерживает нужное расположение активных миозиновых филаментов и тем самым инициирует сокращение миофибрилл.
В гладких мышцах изменение концентрации ионов Саз', помимо влияния гормонов, определяется также Са-связывающим белком— каньмодулином. В комплексе с Сам он активирует киназу легких цепей миозина. Образовавшийся тройной комплекс индуцирует каскад реакций сокращения мышц (рис. 1.3б). Сигнал от мембраны мышечной клетки через Т-трубочки и саркоплазматический ретикулум доходит до саркомеры за несколько миллисекунд, поэтому все миофибриллы мышечной клетки сокращаются практически одновременно.
Связь мышечного сокращения с изменениями концентрации Саз' обусловлена функциями вспомогательных белков тропомиозина и тропонина, ассоциированных с актиновыми филаментами (рис. 1.32). Они участвуют в регуляции мышечного сокращения ионами Сайт и тем самым делают АТРазную активность миозина чувствительной к концентрации этих ионов. Предполагается,что тропомиозин и тропоиин.осуществляют Саызависимую регуляцию мышечного сокращения стерическим препятствованием взаимным контактам актина и миозина. При повышении концентрации ионов Сазе молекулы тропомиозина изменяют свое положение, быть может, благодаря изменению формы связанных с ним молекул тропоннна, прежде всего тропонина С.
В отсутствие Саэт тропомиозин, тропонин Т и тропонин 1 образуют комплекс, препятствующий взаимодействию актина с миозином. При появлении ионов кальция тропонин С связывает четыре иона Сам и в таком состоянии снимает блокаду и дает возможность головкам миозина вступить во взаимодействие с актином !4841. Установление атомных трехмерных структур белков О-актина и миозинового субфрагмента 1 и воссоздание на этой основе с привлечением электронной микроскопии и малоуглового рентгеновского 5.
Проблема белка, т. 2 !29 рассеяния пространственного строения тонкого и толстого филаментов означает почти полную визуализацию элементарной составляющей саркомеры, способной демонстрировать принципы сокращения скелетных мышц и конкретный конформационно-электронный механизм трансформации химической энергии в механическую работу. Разработка атомно-молекулярной модели актомиозннового комплекса явилась одним из выдающихся достижений молекулярной биологии последних лет как в методологическом, так и в чисто научном отношении. В методологическом плане ее создание проиллюстрировало максимальные на сегодняшний день возможности эмпирического подхода, прежде всего рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, а также эффективность их совместно~о использования в изучении пространственного строения сложных белковых ассоциатов.
Научная значимость предложенной модели мышечного сокращения определялась тем, что она, во-первых, отвечала наивысшему уровню современного познания молекулярной структурной организации биологической системы и глубокому проникновению в механизм ее функционирования, а во-вторых, обладала огромной потенцией, раскрытие которой может в будущем привести к первому в истории биологии априорному количественному описанию сложного физиологического процесса, исходя только из знания структурно-функциональной организации участвующих в нем молекул. В настоящее время подобного описания механизма действия не имеют даже несравненно более простые системы.
Появление предложенной И. Рейментом и Х. Холденом атомно- молекулярной модели актомиозинового комплекса явилось неординарным событием в современной молекулярной биологии, поскольку свидетельствовало, что в силу различных причин (быть может, из-за меньшей сложности) изучение функционирования мышечной системы могло опередить исследования, в принципе аналогичного плана и той же цели, других молекулярных биосистем, функционирование которых сопряжено с трансформацией разных видов энергии [47Ц. Поэтому прослеживание пути, приведшего к созданию модели актомиозинового молекулярного мотора, может иметь значение, выходящее за пределы механики сокращений скелетных мышц. Речь идет не только (н не столько) об использовании накопленного опыта и полученных результатов в исследовании близкородственных скелетной мускулатуре видов мышечной ткани сердечной н гладкой мускулатуры, функционирующих непроизвольно, или в исследовании жгутиков бактерий н ресничек инфузорий, а также некоторых клеток животных и растений.
Экстенсивное развитие этой области очевидно и не требует особых комментариев. Не будем подробно распространяться и о расширившихся в последние годы возможностях в экспериментальном исследовании процесса мышечных сокращений (4851. Отметим лишь, что наиболее заметным событием здесь явилось привлечение хорошо дополняющих рентгеноструктурный анализ и электронную микроскопию методов молекулярной генетики и метода "лазерной ловушки" (486, 487).
Последний позволяет наблюдать за перемещениями 130 единичных белков в 100-200 А и измерять силу их взаимодействий до 7 пН (7 10 ' дин). Ниже речь пойдет о дальнейшем совершенствовании самой модели, о проблеме перехода от феноменологического описания механизма действия молекулярного мышечного мотора к созданию строгой теории сокращения мышц и количественного метода анализа этого процесса. При создании своей модели Реймент и Холден обобщили данные не только собственных работ [471, 472, 474). Модель явилась результатом синтеза и логического завершения цикла многочисленных исследований последних четырех десятилетий, прежде всего исследований 1990-х годов, 0- и Р-актина с помощью рентгеноструктурного анализа и криоэлектронной микроскопии [452, 453, 457, 485).
Все они имели единую направленность поиска (от сложного к простому) и единый подход к познанию (от функции к структуре). Модель Реймента и Холдена завершила путь, основные этапы которого отражены в следущей схеме: скелетная мышца -+ мышечное волокно -+ миофибрилла — > саркомер — з актиновые и миозиновые филаменты -э белковые компоненты. В принципе такой же строго последовательный, ступенчатый переход в направлении от системы с более сложной структурной организацией к менее сложной присущ исследованиям любых биологических систем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
