Биофизика двигательной активности

Механические свойства живых тканей и органов, а также механические процессы, обеспечивающие двигательную активность, изучает биомеханика. Биомеханичкое моделирование исходит из того положения, что пассивные механические свойства биологических объектов отображаются в моделя упругим и вязкостным элементами, а для отображения способности живых тканей генерировать механическую энергию вводится активный («сократительный») элемент. Такая трехэлементная модель мышцы (рис. 5.1) была предложена в 1930-е годы выдающимся биофизиком, лауреатом Нобелевской премии А.В. Хиллом.

Модель Хилла

Рис. 5.1. Модель Хилла

Позднее модель Хилла была распространена с мышечной на другие ткани организма, поскольку та или иная двигательная активность присуща всем животным и растительным клеткам. Теперь известны не только актин-миозиновая, но и тубулин-динеиновая системы подвижности, причём первая из них присуща не только мышечной ткани, как думали прежде. Молекулярные компоненты систем подвижности всех эукариотических организмов (от амёбы до человека) кодируются генами, которые сохранились неизменными на протяжении всей эволюции. Рассмотрим молекулярные механизмы подвижности, которые обеспечиваются актин-миозиновой и тубу- лин-динеиновой системами.

Биофизика мышечного сокращения

Актин-миозиновая система миоцита поперечнополосатых мышц

Актин-миозионовая система образована актиновыми и миози- новыми нитями. Актиновые нитиобразуются при полимеризации молекул глобулярного белка актина (G-актина). Его полипептидная цепь (первичная структура) включает 374 аминокислотных остатка. Молекулярная масса 41,8 кДа. Третичная структура представляет собой глобулу с бугристой поверхностью, изрезанной щелями, самая глубокая из которых пролегает в середине молекулы и содержит активные центры связывания АТФ и АДФ, а также Са2+ и Mg2+. Кроме того, на молекуле G-актина есть сайты связывания тропомиозина, тропонина, головки миозина (об этих белках пойдет речь ниже), а также соседних молекул G-актина.

Благодаря активным центрам связывания G-актина на нем глобулы объединяются в фибриллы, образуя F-актин (рис. 5.2). Контакты между соседними мономерами G-актина обеспечиваются гидрофобными и электростатическими взаимодействиями. Фибриллы F-актина объединяются попарно (наподобие пары перекрученных ниток бус), и таким образом формируется актиновый микрофила- мент длиной до 1 мкм и диаметром (толщиной) около 6-8 нм. Шаг спирали (полный виток) F-актина составляет 77 нм и на его протяжении содержится примерно 14 пар молекул G-актина.

Актиновый микрофиламент - весьма динамичная полярная структура, причем на её положительном полюсе происходит полимеризация (присоединение новых G-мономеров к F-актину), а на противоположном (отрицательном полюсе) поляризованной молекулы - деполимеризация. Поэтому актиновая нить непрерывно растет в сторону своего положительного полюса и столь же непрерывно укорачивается на отрицательном полюсе (противоположном конце). Полимеризация актина регулируется несколькими белками и обеспечивается энергией посредством гидролиза АТФ, причём образующийся в этой реакции АДФ остается на F-актине. Он замещается молекулами АТФ на отрицательном полюсе актиновой нити при её укорочении.

Структура актинового филамента

Рис. 5.2. Структура актинового филамента: а - глобулярный актин (G-актин), представляет собой яйцевидную белковую молекулу, имеющую две пары комплементарных («ключ - замок») сайтов прикрепления, одну полярную, другую - латеральную (б); сайты дают возможность молекулам полимеризоваться с образованием скрученных двухнитчатых волокон фибриллярного актина (F-актина) (в), содержащего 14 пар мономерных молекул G-актина в одном полном витке (77 нм)

Актиновые микрофиламенты прикрепляются внутри клетки к плоским дискообразным ультраструктурам, которые, в свою очередь, «заякореваются» на внутренней поверхности плазмолеммы или на мембранах органоидов.

Не зря микрофиламенты называют «цитокостями». Отдельные актиновые нити группируются в пучки, которые либо тянутся через всю цитоплазму, либо образуют осевые стержни, поддерживающие поверхностные выросты клетки (например, микроворсинки), либо переплетаются в виде паутины, укрепляя плазмолемму. Почти во всех клетках (за исключением миоцитов) большая часть нитей вовлечена в формирование актинового кортекса (cortex - кора), который залегает под плазмолеммой наподобие паутинообразной сетки. Благодаря тому, что в кортексе микрофиламенты сплетаются в сложные сети, он при сжатии клетки деформируется во всех направлениях. Средняя продолжительность жизни актиновой нити коротка - например, в кортексе лейкоцита всего 5 с.

Актиновый кортекс испытывает существенные перестройки при образовании клеткой псевдоподий (ложных ножек) - выростов цитоплазмы в сторону интерстиция. На их возникновение уходит несколько минут, а то и секунд. Внутри каждой псевдоподии находятся кортикальные микрофиламенты, которые на протяжении её жизни беспрестанно полимеризуются и деполимеризуются. Кончик псевдоподии способен временно прикрепляться к поверхностям, по которым ползёт клетка (например, лейкоцит). В псевдоподии для перемещения клетки должен находиться не только актин, но и миозин, взаимодействующий с актиновыми нитями, выполняющими функцию рельсов, по которым движется (скользит) миозин, относящийся к так называемым белкам-моторам («цитомышцам»). Выделено несколько типов миозинов. Одни из них обеспечичают внутриклеточный транспорт, а другие - сокращение миоцитов.

Каждая из молекул миозинов, осуществляющих сокращение миоцитов, образована четырьмя полипептидными цепями, две из которых (тяжёлые) имеют молекулярную массу по 200 кДа, а две лёгкие - 20 кДа и 17 кДа. Следовательно, молекулярная масса этого гиганта достигает почти 500 кДа. Каждая из двух тяжёлых цепей образует вторичную структуру типа а-спирали. Спирали обеих цепей скручены в двухнитчатую (левозакрученную) суперспираль с шагом в 7,5 нм (рис. 5.3, а). Она является стержнем миозиновой молекулы, который по своей длине (135 нм) при толщине в 2 нм превосходит все аналогичные молекулярные структуры, встречающиеся в природе.

На верхнем конце стержня две нити расходятся, чтобы образовать подвижные «стебельки», на вершинах которых тяжёлые поли- пептидные цепи сплетаются с дополнительными (лёгкими) цепями и формируют глобулярные молекулярные структуры, которые как поникшие головки выступают на поверхности. За счёт них общая длина миозиновой молекулы достигает 155 нм. Молекула напоминает двойной цветок на длинной ножке. Соединение между головкой и стержнем молекулы подобно шарниру, что позволяет «цветам» наклоняться в той или иной степени. Важно заметить, что головки миозина обладают АТФазной активностью, т.е. активируют гидролиз АТФ.

Миозиновые молекулы самопроизвольно собираются в пучок. При таком объединении стержни нескольких сотен молекул, располагаясь параллельно друг другу с некоторым сдвигом по длине (относительно расположения головок), образуют своеобразный ствол толщиной 11-14 нм, из которого в верхней его части выступают головки (рис. 5.3, б). Важно знать, что эта надмолекулярная структура биполярна, поскольку в её середине соединяются (конец в конец) два

Миозиновые нити

Рис. 5.3. Миозиновые нити: aдвухнитчатая структура миозина II (белковая молекула с двумя головками); б - пучки (стержни) толщиной 15-20 нм с многочисленными головками, выступающими над поверхностью и образующими регулярные спиральные ряды, в середине стержня - оголённый сегмент без головок; в - молекулы миозина I (М), которые прикреплены короткими хвостами к мембране транспортируемого органоида (О), а головками - к актиновойнити (А)

«ствола» при том, что «кроны» обращены в противоположные стороны. Поэтому в середине толстой нити, в которой объединены сотни молекул миозина, имеется участок длиной около 300 нм, свободный от головок. Общая длина всего такого филамента составляет в разных клетках от 2,5 до 15 мкм.

В миозинах, которые обеспечивают внутриклеточный транспорт органоидов (митохондрий, лизосом и др.), «хвосты» короткие. Ими миозиновые молекулы присоединяются к мембранам органоидов и, скользя затем по актиновым нитям, перемещают их в различные участки клетки (рис. 5.3, в). В таком варианте могут работать даже отдельные молекулы миозина или тонкие пучки, образованные их малым количеством.

Благодаря способности к беспрестанным процессам сборки и разборки, протекающим очень быстро, нити F-актина могут достигать любого участка клетки, а по ним, как по рельсам, туда устремляется миозин, который подобно локомотиву тянет за собой различные клеточные компоненты, прикрепляющиеся к нему. За счёт скольжения миозина I типа по микрофибриллам движутся органоиды в цитоплазме (например, митохондрии подтягиваются к тем местам, где есть нужда в макроэргах), а при скольжении миозина II типа перемещаются отдельные участки клетки друг относительно друга. Взаимодействие миозина с актином обеспечивает животным и человеку преодоление земного притяжения и перемещение в пространстве, кровообращение, внешнее дыхание, двигательную активность желудочно-кишечного тракта и других внутренних органов, родовую деятельность и другие виды подвижности, которые обеспечиваются миоцитами разных типов.

Характерной особенностью актин-миозиновой системы миоцита (мышечного волокна) является строго параллельное расположение актиновых и миозиновых нитей (рис. 5.4), благодаря чему их скольжение происходит в одном направлении, и в клетке развивается большое напряжение. Это свойственно всем трём типам миоцитов: миоцитам скелетных мышц, кардиомиоцитам, гладкомышечным клеткам. Рассмотрим прежде всего биомеханические процессы в миоците скелетных мышц.

Его длина достигает в разных мышцах от 5 до 100 мм, а диаметр значительно уступает длине, составляя от 10 до 100 мкм. Преобладание длины над толщиной в такой веретенообразной клетке позволяет называть её волокном. Вместе с тем следует отметить, что мышечное волокно образуется путем слияния множества отдельных клеток. Поэтому в миоците (весьма крупной клетке) содержится несколько ядер.

Внутри миоцита находится порядка 103 миофибрилл. Диаметр каждой из них составляет 1-3 мкм, а длина такая же, как у всей клетки. На этом протяжении в миофибрилле помещается огромное количество так называемых саркомеров (sarx - мясо, meros - часть), вы-

Схематическое изображение миофибриллы в миоците поперечнополосатых мышц

Рис. 5.4. Схематическое изображение миофибриллы в миоците поперечнополосатых мышц.

I — изотропный диск, А — анизотропный диск, Н-зона, Z-линия

Электронограмма миоцита поперечнополосатых мышц

Рис. 5.5. Электронограмма миоцита поперечнополосатых мышц.

Обозначения: А - анизотропный диск; I- изотропный диск; Z-Z-линия (полоска)

строенных в цепочку благодаря последовательному соединению друг с другом. Соседние саркомеры «склеиваются» друг с другом белком десмином, который вместе с актиновыми нитями образует актин-десминовую ячеистую сеть. В растянутом состоянии мышечного волокна длина его саркомеров может достигать 3,5 мкм. Разделив длину волокна (а, значит, и составляющих его миофибрилл) на эту величину (длину саркомера при растяжении), находят число саркомеров в миофибрилле. Саркомер является элементарной надмолекулярной сократительной единицей мышечного волокна.

Благодаря упорядоченности молекулярной структуры миоцита границы саркомеров в соседних миофибриллах совпадают, следствием чего является характернейшая особенность поперечнополосатых (скелетных) мышц, давшая им такое название, - регулярная исчер- ченность за счёт чередования светлых (изотропных - I) и тёмных (анизотропных - А) полос, наблюдаемых под микроскопом (рис. 5.5). Анизотропные диски обладают двойным лучепреломлением: в обычном свете выглядят тёмными, а в поляризованном - прозрачными (светлыми) в продольном и непрозрачными (тёмными) в поперечном направлениях. Изотропным дискам не свойственно двойное лучепреломление. Затемнение в центре /-диска (/-полосы) обусловлено контактами между соседними саркомерами. Эта тёмная полоска толщиной 80-160 нм называется Z-линией (или Z-диском). Она служит границей между соседними саркомерами в миофибрилле. Под электронным микроскопомв 1953 г. увидели, что каждый саркомер состоит из тонких (актиновых) и толстых (миозиновых) филаментов. Они называются протофибриллами, число которых в среднем составляет 2500 в одной миофибрилле. Протофибриллы расположены паралле-

Схема строения саркомера при продольном (1) и поперечном (2) срезах в зоне перекрывания актиновых (А) и миозиновых (М) нитей

Рис. 5.6. Схема строения саркомера при продольном (1) и поперечном (2) срезах в зоне перекрывания актиновых (А) и миозиновых (М) нитей

льно друг другу, причём /-диск соответствует тому участку саркомера, где присутствуют только актиновые нити (рис. 5.4).

В /1-диске актиновые нити перекрываются миозиновыми. В центре ^4-диска наблюдается светлый участок (//-зона), в котором присутствуют только миозиновые нити. Следовательно, анизотропия обусловлена совместным присутствием и миозиновых, и актиновых филаментов. На поперечном срезе саркомера нити образуют регулярную гексагональную систему, в которой каждая миозиновая протофибрилла взаимодействует с шестью актиновыми, а каждая актино- вая - с тремя миозиновыми (рис. 5.6).

Взаимодействие между тонкими и толстыми филаментами осуществляется посредством так называемых поперечных мостиков, образованных головками миозиновых молекул. Они расположены по отношению к продольной оси миозиновой нити под углом 120°. Расстояние между соседними миозиновыми мостиками, лежащими на одной оси, составляет 43 нм (рис. 5.3, б). Поперечный мостик работает как химиомеханический преобразователь.

Стоит ещё раз заметить, что в миоците актиновые и миозиновые филаменты лежат строго параллельно друг другу. Промежутки межу ними составляют примерно 13 нм. В них-то и выступают головки миозиновых молекул - поперечные мостики, которые подобно миниатюрным веслам могут совершать гребковые движения, перемещая тонкие нити относительно толстых. Для того чтобы это произошло, головка миозина должна вступить во взаимодействие с активным центром на актиновой нити. В расслабленной мышце он прикрыт («зачехлён») молекулой тропомиозина. Она имеет двухнитчатую струк-

Двухнитчатая (две идентичные полипептидные цени) суперспираль тропомиозина

Рис. 5.7. Двухнитчатая (две идентичные полипептидные цени) суперспираль тропомиозина

Расположение тропомиозина в желобке акт ииового микрофиламепта

Рис. 5.8. Расположение тропомиозина в желобке акт ииового микрофиламепта

Гипотетическая структура тропонина

Рис. 5.9. Гипотетическая структура тропонина: а - в отсутствие Са2+; б - в присутствии Са2+, Т - тропомиозинсвязывающая субъединица, И - актинсвязывающая субъединица (ингибирует связывание миозина с актином), С - кальцийсвязывающая субъединица (ее положение изменяется в зависимости от присутствия Са+)

туру, образованную двумя субъединицами с молекулярными массами 34 и 36 кДа. Молекула длиной 41 нм скручена с шагом 7 нм (рис. 5.7) и занимает спиральный желобок между двумя нитями F-актина (рис. 5.8), где расположены активные центры, с которыми должны вступить во взаимодействие миозиновые головки, чтобы произошло сокращение мышцы.

Кроме актина, миозина и тропомиозина, миоциты поперечнополосатых мышц содержат важный регуляторный белок тропонин, который связан с актиновым филаментом и с тропомиозиновой нитью (рис. 5.9).

Сдвоенный актиновый микрофиламент, укомплектованный тропомиозином и тропонином

Рис. 5.10. Сдвоенный актиновый микрофиламент, укомплектованный тропомиозином и тропонином: в отсутствие ионов кальция (А), в присутствии ионов кальция (Б)

Три субъединицы тропанина имеют в сумме молекулярную массу 76 кДа. Одна из субъединиц способна связываться с 4 ионами Са2+. Когда такое взаимодействие происходит, тропонин воздействует на тропомиозин, и тот освобождает на актиновом филаменте активный центр для миозина (рис. 5.10). Тем самым устраняется препятствие их взаимодействию.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >