Характеристика и роль специфических белков мышечной ткани TnC, TnI, TnT, тропомиозина, актомиозина.

Основными белками мышц являются актин и миозин

Массу мышечных фибрилл составляют вода (75%) и белки (более 20%). Основными представителями мышечных белков являются актин и миозин, среди которых на долю миозина приходится 55%.

Этот белок (ММ 460 кДа) имеет форму асимметричного гексамера. Молекула миозина имеет вытянутую часть, состоящую из двух спиралей, накрученных одна на другую. Каждая спираль имеет на одном конце глобулярную головку. Гексамер (6 субъединиц) включает одну пару тяжелых цепей (ММ 200 кДа) и две пары легких цепей (ММ 15-27 кДа). Тяжелые цепи состоят из линейно вытянутого, -спирализованного С-концевого домена (1300 аминокислотных остатков) и N-концевого домена глобулярной формы (около 800 аминокислотных остатков). Два -спирализованных домена, принадлежащих двум тяжелым цепям, образуют вместе устойчивую суперспиральную структуру с двумя глобулярными головками (рис.17.8).

Полная молекула миозина содержит также 4 сравнительно небольших полипептидных цепи (ММ 16-24 кДа), которые связаны с глобулярными головками. В отличие от актина миозин скелетных мышц обладает ферментативной активностью и катализирует гидролиз АТФ, связываясь с F-актином. Все легкие цепи связывают Са²⁺, фосфорилируются с помощью специальной киназы и, в целом, принимают участие в регуляции активности миозиновой АТФ-азы.

Рис.17.8. Схематическое изображение строения толстых нитей. Показана пространственная конфигурация миозина.

В молекуле миозина имеются несколько важных в функциональном отношении участков. Недалеко от середины линейной суперспирализованной зоны находится место, в котором происходит расщепление молекулы под действием трипсина. Этот фермент как бы разрезает молекулу на 2 части: одна содержит глобулярные головки и некоторую часть суперспирализованной зоны; другая состоит из оставшейся порции суперспирализованной зоны со стороны С-конца. Часть, содержащая головку, получила название "тяжелый меромиозин" (ММ 350 кДа). С-концевой фрагмент называется "легкий меромиозин" (ММ 125 кДа).

Значение места действия трипсина на молекулу миозина заключается в том, что оно удивительно совпадает с тем местом в молекуле миозина, которое работает как своеобразный шарнир, превращая химическую энергию АТФ в чисто механическое явление сокращения - расслабления. Другой важный участок, выполняющий аналогичную роль, подвержен действию ещё одного протеолитического фермента - папаина. Папаин разрезает молекулу миозина очень близко к глобулярным головкам. Получается два фрагмента и именно тот из них, где находится головка, проявляет АТФ-азную активность.

Из миозина образуются толстые нити. Толстая нить состоит, приблизительно, из 400 молекул миозина, по 200 с каждой стороны от М-линии. Эти молекулы удерживаются в связке с помощью С белка ("скрепочного" белка), белка М-линии и гидрофобного взаимодействия между собой. В точке, локализованной в месте действия трипсина, тяжелый меромиозин отклоняется от основной оси толстой нити, образуя острый угол. Благодаря этому головка тесно сближается с актином тонких нитей, локализованных в пространстве между толстыми нитями. Важнейшим молекулярным событием, предшествующим мышечному сокращению, является регулируемое связывание головок миозина с актином тонких нитей. В последующем происходит быстрое изменение конформации миозина вокруг уже упоминавшихся своеобразных "шарнирных" точек, и связанный актин перемещается в направлении М-линии.

Доля актина в общей массе мышечных белков составляет 25%. Это глобулярный белок-мономер с ММ 43 кДа, получивший название G-актин. В присутствии ионов магния и физиологической концентрации ионов в растворе G-актин полимеризуется с образованием нерастворимой нити., которая называется F-актин (рис.17.9). Два F-актиновых полимера накручиваются друг на друга в виде спирали. Так формируется основная структура тонкой нити. Волокно F-актина имеет толщину 6-7 нм и повторяющуюся структуру с периодичностью 35,5 нм. Ни G-, ни F-актин не обладают никакой каталитической активностью.

Рис. 17.9. Структура F-актина

Каждая субъединица G-актина имеет центр связывания АТФ/АДФ, который принимает участие в полимеризации тонкой нити. После окончания полимеризации тонкая нить покрывается и стабилизируется белком - -актинином. Вдобавок к центру связывания нуклеотидов на каждой молекуле G-актина имеется высокоаффинный центр связывания головки миозина. Регуляцию его работы в скелетной и сердечной мышцах осуществляют дополнительные белки тонкой нити. Таким образом, дополнительные белки контролируют сократительный цикл.

Дополнительные белки тонких нитей

Рис. 17.10. Схематическое изображение расположения белков в тонких нитях саркомера

Главными дополнительными белками в составе тонких нитей являются тропомиозин и тропонин. Тропомиозин - это палочкоподобный, закрученный в виде спирали гетеродимер (состоит из - и -субъединиц), длина которого распространяется на 7 молекул G-актина. Поэтому вдоль тонкой нити каждые 7 пар остатков G-актина ассоциированы с двумя молекулами тропомиозина (рис.17.10), то есть одна молекула тропомиозина располагается в каждой из бороздок спирализованного F-актина.

В состоянии мышечного расслабления каждая молекула тропомиозина прикрывает центры связывания для миозина на 7 остатках G-актина. Тем самым поддерживается релаксация, поскольку актин не может взаимодействовать с миозином. В акт сокращения вовлечена активация тропонина, второго дополнительного белка тонких нитей. Тропонин тоже является гетеродимером. Он прикреплен к концу каждой молекулы тропомиозина и к актину. Тем самым посредством тропонина актин физически связан с тропомиозином (рис.17.10).

Конформационные изменения связующей молекулы, тропонина, обеспечивают закрытие и открытие места связывания миозина с актином и, таким образом, регуляцию мышечного сокращения. Одна из субъединиц тропонина, тропонин-С, является кальций-связывающим белком. Когда он связывает кальций, молекула тропонина подвергается такой конформационной перестройке, благодаря которой присоединенный тропомиозин отходит от места присоединения головки миозина к актину. В результате головка получает возможность присоединиться к актину и происходит сокращение.

Попробуем ещё раз суммировать те события, которые происходят на тонкой нити. До появления ионов Са²⁺ в саркоплазме тропомиозин прикрывает миозин-связующий центр на актине. Как только Са²⁺ появляется в саркоплазме, он связывается с тропонином-С. В результате происходят конформационные изменения в тропонине, которые обеспечивают перемещение прикрепленной молекулы тропомиозина глубже в бороздку спирали F-актина. Тогда открываются места связывания миозина на субъединицах G-актина, куда теперь могут прикрепляться головные части миозина. Удаление кальция из саркоплазмы приводит к восстановлению исходной конформации тропонина и тропомиозина. При этом взаимодействие между актином и миозином прерывается, и возникает состояние расслабления.