Молекулярный механизм мышечного сокращения
В состоянии покоя актиновые филаменты каждого саркомера, прикрепленные концами к двум последовательным Z-дискам и лежащие смежно с миозиновыми филаментами, немного перекрываются друг с другом. При сокращении мышечного волокна актиновые филаменты подтягиваются между миозиновыми филаментами так, что начинают перекрывать друг друга практически на всем протяжении. Диски Z подтягиваются актиновыми волокнами к концам миозиновых филаментов. Таким образом, сокращение мышцы происходит по механизму скользящих нитей (Рис. 2.).
Рис. 2. Расслабленное и сокращенное состояния миофибриллы
Скольжение актиновых филаментов вызывают механические силы, возникающие при взаимодействии поперечных мостиков миозиновых филаментов с молекулами актина. В состоянии покоя эти силы отсутствуют. При распространении по мембране мышечного волокна потенциала действия из СПР высвобождаются большие количества ионов кальция, которые активируют силы между актиновыми и миозиновыми филаментами, в результате чего происходит сокращение. Для процесса сокращения также необходима энергия, которая высвобождается при расщеплении ферментами АТФ на АДФ и неорганический фосфат.
Молекулярная структура миозиновых и актиновых филаментов в настоящее время детально изучена. Миозиновый филамент состоит из 200 или более молекул миозина (белок с М=500000). Каждая из этих молекул сформирована шестью полипептидными цепями: двумя тяжелыми и четырьмя легкими. Две тяжелые цепи свернуты спирально вокруг друг друга, формируя двойную спираль. Один конец каждой из этих цепей свернут в глобулярную структуру, называемую головкой миозина. Головки миозина гидролизуют АТФ в присутствие актина. Таким образом, есть две свободные головки, лежащие бок о бок на одном конце двойной спирали молекулы миозина. Удлиненная часть спирали называется хвостом. Четыре легкие цепи являются частями головок миозина. Часть спирали каждой миозиновой молекулы вместе с головкой формирует поперечный мостик (Рис. 3). Оба поперечных мостика располагаются на противоположных сторонах толстой спирали.
Рис. 3. А. Молекула миозина. B. Комбинация множества миозиновых молекул, формирующих миозиновое волокно.
Свыше двухсот молекул миозина, связанные вместе, формируют структуру миозинового филамента, причем хвостики миозиновых молекул направлены к середине саркомера, а головки – так, что могут способствовать движению актиновых нитей, соединенных с последовательными Z-дисками, в противоположных направлениях.
Актиновый филамент также имеет сложное строение. Он сформирован из трех белковых компонентов: актина (белок с М=42000), тропомиозина и тропонина. В каждом актиновом филаменте две молекулы актина свернуты, формируя спираль (так же как молекулы миозина в миозиновом филаменте). На поверхности спирали расположены активные центры – участки прикрепления поперечных мостиков молекул миозина при сокращении мышцы. Центральная часть актиновых филаментов прикреплена к Z-диску, а их концы находятся в смежных саркомерах между миозиновыми филаментами.
Актиновый филамент содержит также другой белок – тропомиозин, молекулы которого расположены в желобке, образованном спирально закрученными молекулами актина. В состоянии покоя молекулы тропомиозина покрывают активные центры актиновых нитей, предотвращая взаимодействие между молекулами актина и поперечными мостиками миозина.
Другая белковая молекула в составе актинового филамента называется тропонином. Она прилегает к поверхности молекул тропомиозина и имеет сильное сродство к ионам кальция. При взаимодействии тропонина с ионами кальция его молекула деформируется таким образом, что как бы заталкивает тропомиозин глубже в желобок между двумя актиновыми молекулами. При этом открываются активные центры актиновых филаментов, происходит прикрепление к ним поперечных мостиков миозина, что приводит к сокращению мышцы.