2.2.2.2.2. Вспомогательные белки или молекулярные двигатели

Вспомогательные белки или молекулярные двигатели - это белки, которые связывают филаменты друг с другом или с другими клеточными структурами и обеспечивают перемещение компонентов клетки, за счетэнергии гидролиза АТФ. К ним относятся белки миозины, кинезины и динеины.

Миозины (от греч. mys,myos - мышца) - мультигенное семейство бел- ков, являющихся моторными белками актиновых микрофиламентов. Миозины состоят из тяжёлых цепей (H) и лёгких (L). H-цепь имеет 2 участка — «головку» и «стержень». По количеству «головок» и длине стержня миозины делятся на мышечные миозины (миозин II) с 2 головками и длинным стержнем и немышечные (миозин I) с одной или двумя головками и коротким стержнем. Миозины II могут связываться между собой в протофибриллы, а миозины I - не могут.

Миозины - один из главных компонентов сократительных волокон мышц миофибрилл составляют до 50% общего количества мышечных белков. При соединении миозина с актином образуется актомиозин - основной структурный элемент сократительной системы мышц. Миозины способны расщеплять аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), благодаря чему химическая энергия макроэргических связей АТФ превращается в механическую энергию мышечного сокращения. Молекулярная масса миозина около 500 кДа.

Мышечный миозин (миозин II) обнаруживается в поперечно-полоса- той мускулатуре позвоночных и беспозвоночных животных, в гладкомышечных клетках беспозвоночных. Немышечные миозины (мио- зин I) встречаются в разных клетках, в том числе в гладко-мышечных клетках позвоночных. Немышечные миозины могут быть 2-х-головые и одно-головые. Одноголовые миозины найдены во всех клетках. Они тащут груз от (-)-конца актинового микрофиламента к (+)-концу. Миозины I и II синтезируются на разных генах и самостоятельно функционируют в клетках.

Молекула миозина II (рис.110) составляет половину всех белков скелетных мышц и содержит две тяжелые полипептидные цепи по 2000 аминовых остатков каждая (мол. масса 200кДа). Тяжелые цепи связаны с двумя легкими (мол. масса каждой 20кДа) и, скручиваясь в α-спираль, образуют длинный (183 нм) фибриллярный хвост на С-конце. Этот участок называется стержневой домен. N-конец цепи не ковалентно связан с 4 легкими цепями глобулярной формы, по две на каждую тяжелую цепь и называется двигательным доменом. Легкие цепи бывают двух типов: по 190 и 170 аминокислот остатков в каждой.

Молекула миозина II амфифильна, при действии протеолитических ферментов она распадается на фрагменты: гидрофобную (110нм) часть, которая называется легким меромиозином (ЛММ, мол. масса 150 кДа) и гидрофильную (45 нм) часть – тяжелым меромиозином (ТММ, мол. масса 350 кДа) (рис.111А,Б). ТММ делится на фибриллярную часть (S₂) и глобулярную (S₁).

Рис.110. Схематическое изображение молекулы миозина II: 1-глобулярный домен, 2- стерженной домен

Каждый S₁-участок (головка) обладает АТФ-азной активностью и, являясь ферментом АТФазой, гидролизуют молекулу АТФ на АДФ и Н₃РО₄. При этом выделяется энергия, которая расходуется на сокращение мышцы. Головка тяжёлой цепи миозина имеет сайт связывания с актином и сайт связывания АТФ. На границе между ЛММ и ТММ образуется 2 типа шарнирных соединений, обеспечивающих двигательному домену подвижность: один между S₁- и S₂-участками, другой между S₂-участком и ЛММ. Эти шарниры позволяют изменять положение S1-головки по отношению к актину во время сокрашения мышечного волокна (рис.111,Д).

Рис.111. Строение толстого филамента: А, Б - основа толстого филамента - сдвоенная молекула миозина II (А,Б); ТММ - тяжелый меромиозин, АММ-легкий меромиозин, В,Г- толстый филамент, образованный из пучков, сдвоенных молекул миозина II; Д - два шарнирных соединения в миозине: 1-между субфиламентами S₁ и S₂; 2-между субфрагментом S₂ и ЛММ (Из : Страйер,1985; Де Дюв,1987)

Связываясь с актиновыми микрофиламентами головкой попеременно, миозины как бы «шагают» по нему за счёт гидролиза макроэргической связи молекулы АТФ. При этом к хвосту молекулы может быть присоединена соседняя микрофибрилла, и тогда происходит мышечное сокращение. Миозин скелетных мышц обеспечивает скольжение актиновых филаментов при мышечном сокращении.

Немышечный миозин (миозин I) является глобулярным белком, не имеющим четко выраженной стержневой части. Он не образует филаменты, но все остальные свойства, характерные для других миозинов: специфическую АТРазную активность и способность к взаимодействию с актином, он сохраняет. Миозин I состоит из одной тяжелой и одной легкой полипептидных цепей и отличается от миозина II стержневым доменом (рис.112). Миозин I является изоформой миозина: двигательный домен имеет такое же глобулярное строение как и миозин II, а стержневой домен – короче, чем у миозина I (10нм). Кроме основного актин-связывающего участка на головном домене, миозин I содержит также дополнительный актин-связывающий сайт на хвосте молекулы. Благодаря наличию этого сайта, миозин I может сшивать актиновые филаменты в гель.

Рис.112. Схематическое изображение молекулы миозина I: 1 – глодулярный двигательный домен, 2 - стержневой домен (Из: Фаллер, Шилдс, 2004)

Существует три изоформы миозина I: миозин IA, миозин IB, миозин IC, различающиеся молекулярной массой цепей актина и способностью ассоциировать с 2-4 молекулами кальмодулина.

Миозин I и актин обеспечивают миграцию клеток в процессе эмбрионального развития организма, передвижение макрофагов, биение микроворсинок кишечного эпителия. Миозины I у высших организмов не содержат легкой цепи и имеют только один сайт связывания с актином. Миозин I, связанный с комплексом Гольджи перемещает пузырьки вдоль актиновых филаментов. Миозин I и актиновые филаменты могут формиро - вать мышечноподобные структуры в немышечных клетках: сократительное кольцо, стрессовые волокна и адгезионные пояса (о них речь пойдет позже).

Таким образом, миозины относятся к двигательным белкам, связанным с актином и обеспечивают:

- мышечное сокращение;

- кэпирование поверхностных молекул;

- клеточную полярность;

- цитокинез;

- миграцию клеток;

- перемещение пузырьков по актиновым филаментам;

- вызывает движение одного актинового филамента по другому (миозин I) и др.

Кинезины и динеины - это микротубулярные двигательные белки (молекулярные двигатели), связанные с микротрубочками. Кинезины принадлежат к семейству белков, учавствующих в транспорте органелл, митозе, мейозе, переносят пигментные гранулы в меланофорах, способствуют равномерному распределению виментиновых промежуточных филаментов, «растаскивая» их из околоядерного скопления к краям клеток. Эти белки передвигаются по микротрубочке к её плюс-концу (рис.113). Динеины участвуют в транспорте органелл, митозе, движении ресничек и жгутиков. Различают цитоплазматический динеин и динеин ресничек и жгутиков; последний имеет более сложное строение.

Рис.113. Модель образования кинезинового мостика между органеллой и микротрубочкой: АТФазный головной домен кинезина действует как молекулярной двигатель, обеспечивающий движение орга - неллы по микротрубочке (Из: Фаллер, Шилдс, 2004)

Кинезины и динеины - высокомолекулярные соединения, стимулируемые микротрубочками АТФазы, состоящие из двух (у динеина большеe число) тяжелых и нескольких легких цепей. Тяжелые цепи (молекулярная масса 300 кДа) состоят из головного домена в форме глобулы, имеющего АТФ-связывающий участок и стерж­невого хвостового домена. Два головных домена связываются с микротрубочками и служат АТФазными двигателями; хвостовые домены связываются с органеллами и внутриклеточными ком­понентами, которые они транспортируют. Двигательные молекулы перемещаются только в одном направлении: кинезины к плюс-концу микротрубочки, то есть транспортируют компоненты клетки от центра к периферии, а динеины - к минус-концу, следовательно, перемещают органеллы от периферии к центру (рис. 114).

Рис.114. Участие МТ в передвижении органелл: зеленым цветом обозначены органеллы, синим - МТ; К – кинезин, Д – динеин