9.7.4. Белки, осуществляющие механохимические функции

На механохимических функциях белков основана работа поперечно-полосатых мышц (рис. 9–20). Поперечно-полосатые мышцы состоят из пучков мышечных волокон диаметром и длиной , соответствующей длине мышцы. Волокна электрически изолированы друг от друга. Каждое мышечное волокно является сложной многоядерной клеткой, окруженной отдельной мембраной. Волокно содержит тонких (диаметром ) миофибрилл (от греч. myós – мышца и новолат. fibrilla – волоконце, ниточка). Миофибриллы разделены узкими поперечными перегородками (Z-мембранами) на множество повторяющихся сократительных единиц длиной , называемых саркомерами (от греч. sarkós –мясо, плоть и méros – часть, доля), придающих мышцам поперечную исчерченность.

Саркомеры, в свою очередь, состоят из пучка, связанных между собой параллельно ориентированных нитей фибриллярных белков: тонких филаментов (с. 345) F- актина и толстых филаментов миозина (рис. 9–21).

Тонкие нити актина (диаметром и длиной ~1мкм) состоят из молекул актина и Са²⁺ чувствительных регуляторных белков. Полярные глобулы молекул актина (размерами ) агрегируют, образуя двухтяжевую спираль актиновой нити (см. рис. 9-22 и рис. 3–65 с. 434).

Одним концом актиновые нити прикреплены к Z-мембранам (рис.9-21). В расслабленной мышце между свободными концами актиновых нитей имеется зазор в средней части саркомера (Н-зоне). В этой области расположены толстые (диаметром и длиной ) нити миозина. В области между Н-зоной и областью, прилегающей в Z-мембранам, нити миозина перекрываются с нитями актина.

Рис. 9–21. Схематическое строение саркомера в продольном сечении (а). Три поперечных среза саркомера: (б) – вблизи Z-мембраны, представляющий собой срез тонких актиновых нитей; (г) – в средней Н-зоне (срез толстых миозиновых нитей); (в) – в промежуточной области, где поперечный срез представляет собой две гексагональные решетки тонких и толстых нитей, взаимно проникающих друг в друга

Белок миозин состоит из глобулярной части – «головки», и фибриллярной части (длинной α-спирали) – «хвоста» (рис.9–22 а). Нити миозина образуются спиральными хвостами молекул миозина, скрученными попарно, а затем в жгут. Глобулярные головки выступают из этой нити периодически на расстоянии порядка сотни ангстрем друг от друга. Головка миозина имеет два центра связывания: центр связывания АТФ (на рис. 9–22 б внизу слева) и центр связывания актина (внизу головки). Оба центра представляют собой глубокие (порядка 1,3 нм) вытянутые карманы, расположенные на расстоянии ~4 нм друг от друга.

Рис. 9–22. Схема молекулы миозина (а). Модель шагающих мостиков для описания процесса сокращения поперечнополосатых мышц (б). Механохимический цикл включает четыре макроскопических состояния головки миозина (1 - 4), различающиеся, во-первых, конформационным состоянием головки: согнутом R (под углом ~45° к миозиновой нити) или выправленном, «атакующем» А. Во-вторых, головка может быть связана с актиновой нитью (а⁺) или не связана (а^–)

При сокращении мышцы волокна миозина перемещают нити актина, связанные с Z-мембранами, в каждом саркомере навстречу друг другу (рис. 9–23). Зазор между концами нитей актина уменьшается и, соответственно, уменьшается расстояние между Z-мембранами. Величина предельного сокращения мышц определяется длиной актиновых нитей.

Рис. 9–23. Изменение длины саркомера и степени перекрытия актиновых нитей при различных стадиях укорочения мышцы (сверху вниз)

Сокращение мышц представляет собой циклический процесс, состоящий из отдельных шагов миозиновой головки по актиновой нити. Шаг головки включает четыре ее различных макроскопических состояния (рис.9–22б). Состояния различаются конформацией головки (R – согнутой, А – выправленной) и наличием связи с актиновой нитью (а+ – связь есть, а^– – связи нет).

Одновременно с совершением макроскопического цикла (1→4) происходит и микроскопический цикл, в котором сменяют друг друга микроскопические состояния головки, различающиеся связью с лигандами (АТФ/АДФ): 1) головка свободна от лигандов; 2) связывает АТФ; 3) связывает оба продукта гидролиза (АДФ и фосфат Ф); 4) связывает только АДФ. Микроскопический цикл – это периодическая поставка химической энергии. В макроскопическом цикле эта энергия преобразуется в механическое движение. Оба цикла сопряжены друг с другом. Связывание головки с актином изменяет состояние АТФ/АДФ центра аллостерическим путем, то есть благодаря микроскопическим конформационным изменениям головки. И наоборот, комплексы миозин-АТФ и миозин-АДФ-Ф слабо связываются с актином, а комплекс миозин-АДФ связывается в 10 000 раз сильнее.

Перемещение одной нити относительно другой происходит следующим образом.

На стадии 1 АТФ-сязывающий карман открыт и свободен. В этом положении головка миозина расположена под углом ~45° к миозиновой нити и прочно связана с актиновой нитью силами электростатического взаимодействия разноименно заряженных групп миозина и актина, а также гидрофобными силами взаимодействия, действующими между гидрофобными остатками на головке миозина и на двух ближайших глобулах актиновой нити.

Связывание АТФ (стадия 2) за счет энергии сорбции приводит к открытию щели в миозиновом домене. При этом нарушается стереоспецифическое соответствие контактирующих участков миозина и актина, в результате чего силы связи миозина и актина сильно ослабляются и головка миозина отходит от актиновой нити.

На стадии 3 АТФ-связывающий карман закрывается, происходит гидролиз АТФ. Выделяющаяся энергия переводит головку в неравновесную напряженную конформацию, при которой она располагается приблизительно перпендикулярно нити миозина. Головка миозина образует новый мостик с соседними молекулами актина, но при наличии в кармане молекул АДФ и Ф связь с нитью актина остается слабой.

На стадии 4 фосфат выходит из кармана, что приводит к закрытию щели и образованию сильной связи головки миозина с двумя глобулами актина. Одновременно уход фосфата вызывает переход миозина в напряженную конформацию, в которой миозиновая головка повернута под углом ~45° и прижимается к нити миозина. Поскольку при этом ее связь с актиновой нитью сохраняется, то за счет упругой деформации головки миозина происходит сдвиг цепочек актина и миозина друг относительно друга на один шаг. Движение 500 миозиновых головок толстого филамента вызывает смещение на ~10 нм. Частота сильных сокращений составляет ~5 раз в секунду.

На последней стадии в результате возвращения к исходной конфигурации открывается АТФ-связывающий карман, АДФ освобождается и цикл повторяется.

Функциональная активность сократительной системы определяется концентрацией ионов Са²⁺ внутри саркомера, которая регулируется двигательными нейронами мозга (см. рис. 9–20), аксоны которых подходят к мышце. В мышце аксон разветвляется на множество отростков, расходящихся к разным мышечным волокнам, соединяясь с ними при помощи синапсов. В мышечном волокне в состоянии покоя разность потенциалов на мембране составляет , а концентрация Са²⁺ не превышает 10^–7М. При нервном импульсе происходит выброс нейромедиатора (ацетилхолина) в синаптическую щель. Ацетилхолин диффундирует через синаптическую щель и взаимодействует с рецепторами плазматической мембраны мышечных клеток. Это приводит к открыванию трансмембранных каналов для ионов Са²⁺ и деполяризации клеточной мембраны (и образованию потенциала действия, см. ниже с. 768-772). Потенциал действия быстро распространяется по всем направлениям от нервно-мышечного соединения, возбуждая все мышечные клетки. Концентрация ионов кальция в цитоплазме возрастает до 10^–5М. Ионы Са²⁺ присоединяются к регуляторным белкам актина, включают взаимодействие актина и миозина и тем самым вызывают сокращение мышц.