Свойства и структурная организация сократительных белков

Как уже говорилось, основным сократительным белком мышц является миозин. Это фибриллярный белок с молекулярной массой около 470000, извлекаемый из мышечной ткани (после отделения саркоплазматических белков) быстрой экстракцией холодным ще­лочным раствором 0,6 М КС1. Молекула миозина вследствие зна­чительного содержания глютаминовой кислоты имеет довольно большой отрицательный заряд и обладает специфической способ­ностью взаимодействовать с ионами Са²⁺ и Мg²⁺. В присутствии ионов Са⁺⁺ миозин проявляет аденозинтрифосфатную активность, то есть ферментативную способность ускорять гидролиз АТФ по уравнению:

АТФ + Н_аО --- АДФ + Н₃РО₄ + энергия {40 кДж/моль)

С помощью ионов Мg⁺⁺ миозин способен связывать молекулы АТФ и АДФ, а также образовывать комплекс с актином.

Молекула миозина длинная (160 нм) и тонкая (2 нм), с утол­щением на одном конце — головкой (4 нм). Миозин содержит две одинаковые полипептидные цепи - самые длинные из всех из­вестных. Каждая из них построена из 1800 аминокислотных остат­ков. Обе цепи имеют конфигурацию α-спирали и закручены отно­сительно друг друга в двойную спираль, расходящуюся на одном конце молекулы (рис.). Под действием протеолитических фер­ментов эта молекула может распадаться на две части: “головку” и “хвост”. “Головка” называется тяжелым (Н) меромиозином, и α-спирализованные участки ее образуют глобулярные структуры, в которых имеются две разновидности сульфгидрильных (SH) групп. Одна разновидность этих групп входит в состав центров аденозин-трифосфатазной активности, которая сильно зависит от рН среды (оптимум рН — 6,0 и 9,5) и концентрации КС1. Эти же группы участвуют в замыкании связей (спаек) между миозином и акти­ном. Образующийся при этом актомиозин также обладает аденозинтрифосфатазной активностью. Связь между миозином и акти­ном стабильна в отсутствие свободной АТФ, в ее присутствии она разрывается. Второй вид сульфгидрильных групп ингибирует аденозинтрифосфатазную активность.

“Хвост” молекулы миозина состоит из двух спирально перекру­ченных частей легкого (б) меромиозина. Он имеет большой элек­тростатический заряд, что играет важную роль при построении протофибрилл из миозиновых молекул.

Актин — второй важнейший сократительный белок. Его можно извлечь холодной подщелоченной водой из высушенной ацетоном после экстракции миозина мышечной ткани. Актин может сущест­вовать в трех формах: мономерной (глобулярной), димерной (гло­булярной) и полимерной (фибриллярной). Мономерный глобуляр­ный (G) актин связан с АТФ. Его молекулярная масса около 40000 у. е. Полипептидные цепи уложены в нем очень плотно в компактную сферическую структуру с неполярными группами внутри глобулы и полярными — снаружи. Заряд молекулы G-актина отрицателен и сравнительно невелик. Мономеры актина, рас­щепляя АТФ, способны соединяться в димеры, содержащие АДФ.

Из димеров построена двойная спираль полимерного фибрил­лярного актина (рис.). Переход глобулярного актина в фибрил­лярный происходит в присутствии ионов К⁺ и Мg²⁺. В живых мышцах преобладает фибриллярный актин. Образование спаек между актином и миозином возможно при разрыве части связей между мономерами актина, расположенными в соседних цепях двойной спирали. Актин обладает способностью связывать ионы Са-*-+.

В миофибриллах содержится довольно большое количество тропомиозина — белка, растворимого в солевых растворах (1 М КС1), имеющего молекулярную массу около 130000 у. е. и со­стоящего из двух α-спиральных полипептидных цепей. По структу­ре и свойствам очень сходен с легким меромиозином. Тропомиозин образует комплекс с белком тропонином — глобулярным белком с молекулярной массой около 86000 у. е. Тропонин имеет большой отрицательный заряд. В покоящихся мышцах тропонин соединен с актином и блокирует его активные центры. Эта блокада снима­ется после поглощения тропонином ионов Са²⁺. В миофибриллах имеется также небольшое количество α- и β-актининов.

Структура толстых и тонких протофибрилл саркомера на мо­лекулярном уровне может быть представлена следующим образом. Толстые протофибриллы А-дисков, имеющие длину около 1500 нм и толщину 10 нм, состоят из пучка продольно ориентированных молекул миозина (около 360). В результате электростатического взаимодействия между «хвостами» легкого меромиозина в толстых протофибриллах образуется структура, похожая на многожильный кабель, над поверхностью которого выступают «головки» тяжелого меромиозина. В центральной М-полосе толстых протофибрилл «го­ловки» отсутствуют. Это значит, что миозиновые молекулы соеди­нены здесь своими «хвостами» и «головы» их направлены в разные стороны. Выступающие «головки» расположены по пра­вильным спиральным линиям. На поперечном срезе толстой протофибриллы насчитывается 18 молекул миозина.

Тонкие протофибриллы, имеющие длину около 1000 нм и тол­щину 6 нм, расположены радиально вокруг толстых протофибрилл и состоят из двойной спирали фибриллярного актина, в бороздках которой уложены тропомиозиновые молекулы, соединен­ные с тропонином. Спираль фибриллярного актина включает до 300 мономерных глобул актина, которые являются не только струк­турными, но и функциональными единицами тонких протофибрилл: каждая из них содержит активный центр, за счет которого возмож­но образование спаек с миозином. Z-мембраны саркомеров построе­ны из тропомиозина и α-актинина, скрепляющих между собой тон­кие протофибриллы.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ МЫШЕЧНОМ СОКРАЩЕНИИ.

При мышечном сокращении происходит повторяющееся образо­вание и разрушение спаек между «головками» миозиновых моле­кул толстых протофибрилл и активными центрами G-актиновых единиц тонких протофибрилл. Возникновение спайки можно пред­ставить себе следующим образом. В расслабленной мышце «го­ловки» миозина, образующие боковые отростки толстых протофиб­рилл, расположены перпендикулярно по отношению к продольной оси толстой протофибриллы. В ходе сокращения «го­ловка» переходит в угловое положение. При этом замыкается спайка между актином и миозином. Затем изменяется структура «головки» миозиновой молекулы, вследствие чего в спайке развивается напряжение; она укорачивается и продвигает актиновую нить вдоль миозиновой по направлению к центру саркомера на расстояние, равное длине G-актиновой единицы.

Чтобы полностью вдвинуть тонкие протофибриллы в промежут­ки между толстыми, одной спайки недостаточно. В момент сокра­щения образуется около 300 спаек в минуту в каждом центре.

Укорочение спайки и продвижение актиновой нити вдоль мио­зиновой - процесс, требующий затраты энергии. Веществом, хи­мическая энергия которого может быть непосредственно преобра­зована в механическую работу мышечного сокращения, является АТФ. Такое преобразование энергии происходит при гидролитиче­ском расщеплении АТФ, ускоряемом ферментативным центром миозина. Энергия при этом передается миозину, который, изменяя свою внутреннюю структуру, совершает механическую работу.

В покоящейся мышце имеется и миозин, и связанная с ним через ионы Мg⁺⁺ АТФ, однако расщепления АТФ миозином не происходит и спайки между миозином и актином не образуются. Этому препятствует связывание ионов Са⁺⁺ белковым веществом, входящим в состав SR. АТФ в мышце находится в ионизированном состоянии в виде анионов АТФ~⁴ (свободная) и Мg-АТФ~² (свя­занная с миозином). АТФ присоединяется к миозину в некотором отдалении от центра АТФ-азной активности, который также заряжен отрицательно. Пока этот заряд не будет нейтрализован ионами Са⁺⁺, АТФ не может реагировать с центром и расщепляться. Образованию спаек миозина с актином в покое препятствует комплекс тропомиозина с тропонином, несущий (за счет тропонина) большой отрицательный заряд и блокирующий активные цент­ры актина.

Положение меняется только с приходом нервного импульса, когда в области двигательных нервных окончаний выделяется пе­редатчик импульсов — нейрогормон ацетилхолин. Полярная молекула ацетилхолина, взаимодействуя с белками сарколеммы, изменяет их структуру таким образом, что проницаемость сарколеммы для ионов Nа⁺ становится значительно больше, чем в покое. Ионы Nа⁺ устремляются внутрь мышечного волокна, нейтрализуя отрицатель­ный заряд на внутренней поверхности сарколеммы. Происходит деполяризация сарколеммы и связанных с ней поперечных трубо­чек саркоплазматического ретикулума. От трубочек волна возбуж­дения передается мембранам пузырьков и цистерн, основная масса которых оплетает миофибриллы на участках, где происходит вза­имное наложение актиновых и миозиповых нитей. При этом осво­бождаются ионы Са⁺⁺:

Ионы кальция связываются с тропонином, который теряет заряд и освобождает активные центры актиновых нитей.

Прекращение электростатического отталкивания тонких и толстых протофибрилл делает при участии Са⁺⁺ возможным возник­новение спайки между актином и миозином. Мg -АТФ~², образо­вавшая в расслабленной мышце фермент-субстратный комплекс с миозином, в присутствии Са⁺⁺ взаимодействует с центром фермен­тативной активности миозина и расщепляется. Освободившаяся энергия используется для сокращения спайки.

Для объяснения механизма передачи энергии молекулам сокра­тительных белков было предложено несколько вариантов схем про­текания химических реакций. Одни исследователи считают, что передача энергии с АТФ на актомиозин осуществляется путем об­разования макроэргического миозинфосфата; другие полагают, что при распаде АТФ фосфат сразу выделяется в свободном состоянии. Получив тем или иным путем энергию АТФ, сократительные белки образуют богатый энергией актомиозиновый комплекс, спо­собный произвести работу по сокращению спайки. За сокращением спайки следует ее разрыв, в котором также участвует АТФ, но она не расщепляется, а вновь образует фер­мент — субстратный комплекс с миозином.

Если в этот момент поступает новый нервный импульс, то реак­ции с 1-й по 3-ю повторяются. Если новый импульс не поступает, происходит расслабление мышцы. Один из белков сарколеммы действует как фермент холинэстераза, расщепляя ацетилхолин. Исчезновение ацетилхолина приводит к восстановлению на сарко­лемме и мембранах SR исходного распределения ионов Nа+ и К⁺. При этом механизм кальциевого насоса в пузырьках SR вновь ста­новится активным. Расщепляя АТФ, он использует ее энергию для связывания ионов Са⁺⁺, а освобожденный от Са⁺⁺ тропонин пре­пятствует замыканию новых спаек.

Возвращение сокращенной мышцы при расслаблении в исход­ное состояние происходит при участии упругих сил, возникших в белках стромы.

Рассмотренные гипотезы мышечного сокращения предполагают, что в момент сокращения происходит только скольжение актино­вых нитей вдоль миозиповых, однако некоторые эксперименталь­ные данные указывают и на укорочение нитей. Это может быть свя­зано с изменением во время сокращения пространственной структуры сократительных белков, например с переходом длинной тонкой α-спирали полипептидных цепей в более короткую и тол­стую β-спираль.

Когда мышца находится в состоянии покоя, АТФ соединяется с миозином и препятствует образованию его спаек с актином (пластифицирующий эффект). В момент сокращения мышцы АТФ, рас­щепляясь, дает энергию, необходимую для укорочения спайки. Кроме того, расщепление АТФ обеспечивает энергией действие «кальциевого насоса» в пузырьках SR. Расщепление АТФ в мыщц_е происходит с очень большой скоростью: до 10 микромолей на 1 г мышцы в минуту. Так как общие запасы АТФ в мышце невелики (их может хватить только на 0,5—1c работы с максимальной мощ­ностью), для обеспечения нормальной деятельности мышц АТФ должна восстанавливаться с такой же скоростью, с какой она рас­щепляется.