Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 34

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 34)

Он неизбежен, поскольку живая природа организована таким образом, что каждая целостная биосистема (в нашем случае опорнодвигательная), расположенная в соответствии с конструкционным рангом (например, от цитоскелета до отдельных белков), представляет собой набор взаимодействующих между собой иерархически упорядоченных дискретных структур, каждая из которых является подсистемой по отношению к восходящей ветви ряда и системой по отношению к нисходящей ветви. Если это так и биосистемы действительно обладают субординационной организацией и построены по единой принципиальной схеме, подобной приведенной выше, то, несмотря на структурную и функциональную специфику каждой биологической системы, их изучение также должно строиться по единому принципиальному плану и иметь гносеологическую общность.

Нет сомнения в том, что путь от отдельного органа до отдельных молекул через все соединяющие их ступени иерархической лестницы, который прошли и в значительной мере уже завершили при исследовании мышечных сокращений, должны пройти и при исследовании других биоснстем. Поэтому представляет интерес проследить за ходом изучения актомиозинового комплекса с самой общей позиции, выделить особенности пройденного пути, не связанные с конкретными объектами исследования, оценить возможности созданной атомно-молекулярной модели, характер решаемых и не решаемых ею задач и, наконец, спрогнозировать ситуацию, возникающую после создания модели функпионирования бносистемы. Иными словами, желательно получить ответы на вопросы, касающиеся, во-первых, общих для исследований всех биосистем особенносгей и направленности поиска, во-вторых, возможностей и ограничений принципиального порядка, присущих з~ 131 моделям механизмов действия биосистем молекулярного уровня и, в-третьих, ближайших перспектив исследований биосисгем, трехмерные структуры которых известны.

Общая черта исследований различных биосистем, отражающая природу их субординационной структурной организации, заключается в том, что во всех случаях изучение объекта представляет собой последовательный ступенчатый процесс познания, развитие которого ориентировано от более сложной биосистемы к менее сложной. Здесь и ниже имеется в виду не перечень открытий в их временной последовательности, а каузальный, т.е.

причиннообусловленный процесс познания, что не всегда совпадает. Другая черта, также являющаяся общей, состоит в том, что изучение биосистемы любого уровня организации начинается с анализа ее внешней формы и строения, т.е. морфологии. В случае скелетной мышцы сначала было выяснено, что она состоит из пучка мышечных волокон, а каждое волокно представляет собой огромную многоядерную клетку. Эти данные сами по себе еще ничего не говорят о мышечном сокращении, тем более его механизме. Однако последующая редукция системы и изучение морфологии составных частей волокна привели к обнаружению миофибрилл и открытию у них способности сокращаться в присутствии АТР. Стало очевидно, что миофибриллы, составляющие около двух третей массы волокна, являются сократительными элементами клеток мышечной мускулатуры.

Почему сокращается сама миофибрилла, осталось пока неясно, но была объяснена причина сокращения мышечного волокна. Морфологическое изучение миофибриллы идентифицировало ее сократительную единицу — саркомер. Сам факт его обнаружения хотя и не прояснил природу сокращения, тем не менее, дал первую информацию о физиологии миофибриллы и детализировал представления о мышечном сокращении на более высоких уровнях волокна и скелетной мускулатуры. Вскоре стало известно, что сокращение саркомера есть результат скольжения толстых филаментов относительно тонких при сохранении длин тех и других.

Морфологическое изучение саркомер вызвало появление первой физиологической модели мышечного сокращения (модели скользящих нитей), Она дала трактовку механизму сокращения саркомера, миофибриллы, волокна и скелетной мышцы, но не могла объяснить причину скольжения филаментов. Знакомство с морфологией филаментов, осуществленное главным образом с помощью электронной микроскопии и малоуглового рентгеновского рассеяния, позволило предположить, что ответственными за связывание с актиновыми филаментами являются глобулярные головки миозина, прикрепленные к его фибриллярному хвосту, Возникла мысль, что миозиновая головка, используя энергию гидролиза АТР, изменяет свою конформацию и тем самым образует молекулярный рычаг, с помощью которого создается тянущее усилие по отношению к тонкому филаменту.

На этой основе в конце 1960-х годов была предложена гипотетическая схема АТРзависимого циклического механизма мышечного сокращения, которая согласовывалась с !32 множеством имеющихся экспериментальных данных. Схема объясняла причину смещения фнламентов друг относительно друга и, следовательно, сокращение саркомера, миофибриллы, волокна и скелетной мышцы. Предполагалось, что протекание по этой схеме четырехтактного цикла облегчается вспомогательными мьппечными белками, одни из которых поддерживают нужное пространственное расположение актиновых и миозиновых филаментов, а другие участвуют в регуляции сокращения скелетной мышцы ионами кальция.

В течение последующих более чем двух десятилетий, вплоть до 1990-х ~одоп, предложенное объяснение механизма мышечного сокращения, несмотря на продолжающееся все это время изучение цитоскелета, нс претерпело значительного изменения и не смогло обрести доказательной силы. В чем же причины быстрого развития этой области в 1950-1960-е годы, отсутствие заметного прогресса в 1970-1980-с и всплеск достижений в первой половине 1990-х годов? Приведенное выше краткое описание основных этапов развития исследований скелетных мышц как будто бы неоспоримо свидетельствует о наличии прямой связи темпа и глубины познания с достижениями в изучении морфологии, точнее, с временем прохождения исследований от внешней формы и строения биосистемы и далее через все уровни ее структурной организации, от вьппестоящей, более сложной, к ближайшей нижестоящей, менее сложной. В 1950— 1960-е годы имел место прогресс в изучении морфологии — разработаны модель скользящих нитей, молекулярная модель актомиозинового комплекса и схема молекулярного механизма относительного перемещения толстых и тонких филаментов.

В 1970-1980-е годы отсутствовал прогресс в изучении морфологии, не было качественного развития представления о работе скелетных мышц. В начале 1990-х годов удалось закристаллизовать б-актив и глобулярную головку миозина и с помощью рентгеноструктурного анализа идентифицировать их атомные трехмерные структуры. Приблизительно в это же время была расшифрована дифракционная картина малоуглового рентгеновского рассеяния актомиозинового комплекса, а также получены его криоэлектронные микрофотографии высокого разрешения. Последствиями морфологических достижений явились создание атомно-молекулярной модели мышечного сокращения, определение местоположения и геометрии АТР-связывающего активного центра и области миозина, периодически контактирующей с актином и обусловливающей относительное перемещение нитей, уточнение мест локализации на тонком филаменте тропомиозина и тропонинового комплекса и их роли в реализации и регуляции АТР-зависимого механизма мышечного сокращения.

Сказанное выше о связи между знанием строения мышечной системы и пониманием механизма ее действия, т.е. между морфологией различных уровней структурной организации и физиологией мышцы, иллюстрирует схема, приведенная на рис. 1.37. Жирные стрелки указывают направление строго последовательного ступенчатого процесса познания структуры, а противоположно ориентированные тонкие стрелки — процесса познания функции биосистемы.

133 Р и с, !.37. Схема подхода "от сложного к простому", иллнктрирующая на примере скелетной мышцы обусловленность физиологическнхиссяедоваиий вышестоящей подсистемы (тонкие стрелки, направленные вверх) знанием морфологии нижестоящей подсистемы (толсзые стрелки, направленные вниз) серммер Фелеменгм Очевидно, что чем полнее и детальнее информация о форме и составе простейших подсистем, тем глубже понимание механизма функционирования всей системы.

Такой характер взаимообусловленности глубины проникновения в сущность физиологического явления от знания морфологии его участников является общей чертой необратимых процессов познания всех биологических систем. Трактовка свойств биологической системы всегда относительна и основывается на информации о структуре нижестоящих подсистем. Высказанные соображения о наличии общих особенностей и единого принципиального плана развития исследований биосистем, несмотря на их, быть может, самоочевидность, ведут к нетривиальным заключениям, представляющим особую актуальность в настоящее время.

Развитие биологии в течение всей истории определялось двумя встречными потоками исследований — морфологнческим, направленным от сложноорганизованых объектов и явлений к более простым, и физиологическим, имеющим противоположную направленность. Ведущим всегда являлся первын поток, а ведомым — второй. В начале второй половины ХХ в. биология в своем движении от сложного к простому, обусловленном достижениями в морфологии, дошла до самого универсального и простейшего уровня биосистем — своего молекулярного "дна". Развитие в том же плане (от морфологии к физиологии) и в том же направлении (от сложного к простому) становится невозможным.

Привычный источник получения качественно новой информации иссяк, поскольку морфологические данные о мыслимых нижестоящих подсистемах (отдельных аминокислот, атомных групп, атомов) не содержат биологической специфики и, следовательно, прямо не связаны с функцией любой рассматриваемой биосистемы. Таким образом, используемый биологией подход завершается установлением с помощью рентгеноструктурного анализа, электронной !34 микроскопии или иного экспериментального метода трехмерных структур белков. На основе опытных данных о структуре биосистемы молекулярного уровня подтверждаются существовавшие ранее или формируются новые, более детальные и обоснованные представления о механизме функционирования, разрабатывается атомно-молекулярная модель процесса и формируется соответствующая гипотеза. По существу делается все то, что делалось н ранее в отношении сложноорганизованных биосистем при получении новой информации о морфологии нижестоящих подсистем.

Характеристики

Список файлов книги