10.1.1. Тонкая структура миофиламентов

 

В середине XIX в. Вильгельм Кюне (W. Kuhne) показал, что при вымачивании измельченной мышцы в водных  растворах с различной концентрацией солей из нее экстрагируется целый ряд белковых фракций. С помощью  дистиллированной воды из мышцы   извлекаются неструктурные растворимые белки, например миоглобин. Актиновые и миозиновые филаменты  солюбилизируются  при высокой концентрации солей вследствие разрыва связей между соответствующими мономерами. Наряду с актином и миозином при этом извлекаются и некоторые другие белки.

                Многие современные  представления о мышечном сокращении возникли на основе работ по выделению актиновых и миозиновых филаментов и последующего анализа их структуры и состава. Из гомогената свежей мышцы можно получить изолированные фрагменты миофибрилл  длиной всего в несколько саркомеров. Осторожная гомогенизация в релаксирующем растворе, содержащем Mg²⁺, АТР и вещество, образующее  хелатные соединения с кальцием, например ЭГТА (1,2–бис(β–аминоэтилокси)этан–N,N'–тетраацетат), препятствует образованию связей между миозиновыми мостиками и актиновыми филаментами. В итоге миофибрилла распадается на составляющие ее актиновые и миозиновые филаменты.

                Актиновый филамент  по своему строению напоминает две нитки бус, закрученные в двойную спираль (рис 10–5) Каждая «бусинка» – это мономерная молекула G–актина, названного так из–за своей глобулярной  формы.  Молекулы  G–актина, имеющие  диаметр  5,5 нм, полимеризуясь, образуют длинную   двойную  спираль F–актина  (по англ. filamentous – нитевидный). Такую полимеризацию можно  осуществить in vitro, применяя очищенный препарат G–актина. Шаг  F–актиновой спирали составляет около 73 нм, поэтому ее две нити перекрещиваются  между собой через каждые 36,5 нм. Данную  спираль не следует путать с гораздо более мелкой α–спиралью  пептидных цепей.  Актиновые филаменты  имеют в длину 1 мкм и диаметр 8 нм, они  прикреплены одним концом  к компонентам, образующим   Z–линию.  В  продольных  бороздках актиновой  спирали лежат нитевидные  молекулы белка тропомиозина. К каждой молекуле тропомиозина прикреплен комплекс молекул  глобулярных белков под общим названием тропонин. Тропониновые комплексы образуют выступы вдоль актинового филамента  с интервалами  приблизительно в 40 нм.  Далее мы  покажем, что тропонин вместе с тропомиозином играет важную роль в регуляции мышечного  сокращения.

 

Рис. 10.6. Схематическое изображение молекулы миозина в виде двойной глобулярной головки и длинного тонкого хвоста.  Легкий и тяжелый меромиозин отличаются  друг от друга по стойкости к протеолитическому действию трипсина, который расщепляет  молекулу миозина на эти два фрагмента  (Lehninger, 1975 )

 

                Отдельные мономеры,  которые образуют  при полимеризации  миозиновый филамент,  имеют  в среднем  длину  150 нм и диаметр  около  2 нм (рис 10–6). На одном конце миозиновых  молекул образуется двойная глобулярная головка. Диаметр этого участка молекулы составляет 4 нм, длина – 20 нм. Длинная тонкая часть молекулы подразделяется на «шейку» и «хвост».

                Если молекулу миозина обработать протеолитическим ферментом трипсином, она распадается на 2 части так называемый легкий меромиозин (ЛММ) и тяжелый  меромиозин (ТММ).  ЛММ   в основном образует хвостовую часть молекулы, а ТММ – глобулярную головку и шейку. Область головки вызывает особый интерес, потому что она обладает всей ферментативной и актинсвязывающей активностью, присущей миозину  этой главной молекуле мышечного сокращения.  Молекула  миозина  состоит из двух пептидных цепей, закрученных относительно друг друга на всем протяжении удлиненной (вытянутой) части. Головка фактически составлена из глобулярных концов двух пептидных цепей и нескольких  (трех или четырех в зависимости  от вида животного) так называемых легких цепей миозина. Эти цепи являются короткими (и потому «легкими») полипептидами двух разновидностей. Они неодинаковы в разных типах мышц и влияют на АТРазную активность миозина.

                In vitro миозиновые молекулы, как и молекулы G–актина, аггрегируют и полимеризуются, при этом происходит реконструкция миозиновых (А–диск) филаментов.  Этот процесс протекает in vitro самопроизвольно при понижении ионной силы раствора Начальная стадия формирования миозиновых филаментов состоит в объединении нескольких молекул миозина путем совмещения  хвостов, головки при этом  направлены  в противоположные   стороны (рис 10–7).

 

Рис. 10.7. А. Спонтанное формирование толстых филаментов из миозиновых молекул in vitro, × 34000. Б. Электронная микрофотография  молекул миозина, собранных в толстые филаменты разной длины. Обратите внимание на биполярностъ в организации структур. (Huxley, 1969.)

 

В итоге образуется короткий филамент, средняя часть которого свободна от головок. Он растет по мере добавления новых молекул к каждому из концов. Хвосты этих молекул ориентированы  в сторону средней части (центра) филамента и накладываются на хвосты ранее присоединенных молекул. С добавлением каждой молекулы миозина сбоку от филамента появляется новая головка. Так как миозиновые молекулы добавляются к растущим концам  симметрично, то головки одной половины филамента ориентированы противоположно по  отношению  к соответствующим головкам другой половины. Аггрегация продолжается до тех пор, пока филамент  не достигнет в длину приблизительно 1,5 мкм и в диаметре  12 нм. Почему филаменты прекращают свой рост, достигнув указанной длины, неясно. Но в любом случае образование филаментов в  живых клетках  идет, по–видимому, точно таким же образом, как и в экспериментах in vitro.