Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БХ учебник Николаев.pdf
Скачиваний:
571
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
15.53 Mб
Скачать

520

Часть IV. Особенности биохимии отдельных органов и систем

СТРОЕНИЕ МИОЗИНОВЫХ НИТЕИ

Миозиновые нити образованы белком миозином, строение которого показано на рис. 22.3. Миозин составляет почти половину всех белков скелетной мышцы. Молекула миозина содержит две идентичные тяжелые полипептидные цепи (мо­ лекулярная масса каждой 200 ООО) и четыре легкие цепи (молекулярная масса око­ ло 20 ООО). Каждая тяжелая цепь на большой части длины с С-конца имеет кон­ формацию а-спирали, и обе спирали скручены друг с другом; эта часть молекулы имеет форму палочки. Противоположные концы каждой цепи (N-концы) имеют глобулярную форму, образуя «головки» молекулы. К каждой из головок некова­ лентно присоединены по две легкие цепи.

М-линия

I

I

I I

I

I

I I

I

I I

—Ц__

 

 

 

 

=C

ZE

0 2 = 3

 

 

ГГ

 

 

 

 

 

 

I

I

И

I

I

I l

I

И

б

Рис. 22.3. Строение миозина (а) и миозиновой нити саркомера (б)

Миозин катализирует гидролиз АТФ; это было установлено Энгельгардтом и Любимовой в 1939 г. Энергия гидролиза используется для сокращения мышцы. Значительно позднее выяснилось, что каталитический активный центр локализо­ ван в головках молекулы миозина. Открытие АТФазной активности миозина в высокой степени стимулировало исследования мышечного сокращения, посколь­ ку было первым прямым указанием на источник энергии для сокращения и на роль миозина в использовании этой энергии.

Палочкообразные хвосты молекул миозина могут соединяться друг с другом продольно, образуя пучки; головки выступают на поверхности пучка, выстраива­ ясь вокруг него по спирали. В области М-линии пучки стыкуются «хвост к хвосту» (рис. 22.3, б). Так получаются миозиновые нити саркомера, каждая из которых содержит около 400 молекул миозина.

СТРОЕНИЕ АКТИНОВЫХ НИТЕЙ

В состав актиновых нитей входят белки актин, тропомиозин и тропонин. Основу нитей составляют молекулы актина. Актин — это глобулярный белок с молекулярной

Глава 22. Мышцы

5 2 1

массой 43 ООО и шарообразными молекулами диаметром около 5 нм; такая форма актина называется G-актин (глобулярный актин). G-актин содержится и во многих немышечных клетках.

Молекулы G-актина могут нековалентно соединяться, образуя фибриллярный актин — F-актин. Форма молекул F-актина напоминает две нитки бус, скрученные друг с другом (рис. 22.4). В мышечных клетках весь актин находится в форме F-актина.

Рис. 22.4. Строение G-актина и F-актина (а) и актиновой нити саркомера (б)

К F-актину могут присоединяться головки миозина, причем на каждой молеку­ ле G-актина в F-актине есть центр связывания миозина. В результате такого взаи­ модействия в сотни раз увеличивается АТФазная активность миозина. Соединение F-актина с миозином называют актомиозином. Образование связей между миозиновыми и актиновыми нитями в саркомере имеет важное значение в процессе сокращения мышцы.

Молекулы другого белка актиновых нитей — тропомиозина — имеют форму палочек длиной 40 нм. Они располагаются вблизи желобков спиральной ленты F-актина, вдоль нее, причем каждая молекула тропомиозина соединена с семью молекулам^ G-актина, а концами примыкает к соседним молекулам тропомиози­ на (рис. 22.4, б).

Третий белок актиновых нитей — тропонин — имеет глобулярную форму; он построен из трех разных субъединиц. Тропонин нековалентно связан с тропомиозином и с актином; на каждую молекулу тропомиозина приходится одна молекула Tpoi IT >пина. Одна из субъединиц тропонина содержит Са-связывающие центры: эта субъединица по строению сходна с кальмодулином.

Тонкие нити прикреплены к Z-пластинкам, которые тоже представляют собой белковые структуры. Содержание миозина, актина, тропомиозина и тропонина в миофибриллах равно примерно 55, 25, 15 и 5 % соответственно.

Белки миофибрилл можно выделять из мышц и изучать в чистом виде. Из них in vitro удается получать миозиновые и актиновые нити. Миозиновые и актиновые нити можно также выделить из мышечной ткани после осторожного разрушения клеточных мембран и миофибрилл. Можно получать также актомиозиновые ком­ плексы, которые, как мы уже отмечали, образуются в результате присоединения головок миозина к молекулам G-актина в актиновых нитях (поперечные мостики). Актомиозиновые волокна in vitro при определенных условиях могут сокращаться. Использование таких отдельных систем оказалось чрезвычайно полезным для изу­ чения механизма мышечного сокращения.

сокращение; в — предельное сокраще­
ние
состояние покоя;
а —
Рис. 22.5. Сокращение саркомера:
-LPJ-Xi J I W H tV I
H Wll ,— I ItISVi1----
»WiW
I1I1I1I1IM
----------iMvMiM I
lIVieIVn

5 2 2 Часть IV. Особенности биохимии отдельных органов и систем

МЕХАНИЗМ СОКРАЩЕНИЯ МЫШЦЫ

Сокращение мышц есть результат укорочения каждого ее саркомера. Укорочение саркомера происходит путем вдвигания актиновых нитей между миозиновыми нитями в направлении М-линии; максимальное укорочение достигается тогда, когда Z-пластинки, к которым прикреплены актиновые нити, приближаются вплотную к концам миозиновых нитей (рис.

22.5). Д вижение актиновых нитей, в свою очередь, есть результат взаимодействия четырех основных белков миофибрилл — миозина, актина, тропомиозина и тропони­ на. Сокращение саркомера сопровождается гидролизом АТФ и регулируется ионами кальция.

Разделение функций между миозиновы ­ ми и актиновыми нитями при сокращении можно представить следующим образом. Ми­ озиновые нити содерж ат активный центр

б — умеренное для гидролиза АТФ, устройство для превра­ щения энергии АТФ в механическую тягу, ус­ тройство для сцепления с актиновыми нитя­ ми и устройство для восприятия регулятор­

ных сигналов со стороны актиновых нитей. Актиновые нити имеют механизм сцепления с миозиновыми нитями и механизмы регуляции сокращения и расслаб­ ления.

Модель сокращения саркомера представлена на рис. 22.6. АТФазные центры

 

головок миозина отличаются высоким срод­

JL

ством к АТФ, так что в мышце большинство

головок содержит связанный АТФ. В присут­

 

ствии ионов Ca2+ на мономерах актиновой

 

нити открываются центры связывания мио­

 

зиновых головок. Это происходит в результа­

 

те присоединения Ca2+ к Са-связывающей

 

субъединице тропонина (рис. 22.6, а).

 

Ионы Ca2+ вызывают конформационные

 

изменения во всей системе тропонин-тропо-

 

миозин-актин, включающей по одной молеку­

 

ле тропонина и тропомиозина и семь молекул

 

G-актина: на всех семи мономерах актина от­

 

крываются центры связывания с головками

 

миозина. Миозиновая головка присоединяет­

JL

ся к одному из мономеров актина (ближайше­

 

му), и таким путем происходит сцепление ак­

 

тиновых и миозиновых нитей (состояние б на

Рис. 22.6. Механизм

Рис'

укорочения саркомера

 

Глава 22. Мышцы

523

Присоединение головки к актину активирует АТФазный центр, АТФ гидроли­ зуется, АДФ и фосфат покидают активный центр, что приводит к изменению кон­ формации миозина: возникает напряжение, стремящееся уменьшить угол а между головкой и хвостом молекулы миозина, т. е. наклонить головку в направлении M- линии. Поскольку головка прикреплена к актиновой нити, она, наклоняясь в сто­ рону М-линии, смещает в этом же направлении и актиновую нить (состояние в на рис. 22.6). Теперь АТФазный центр может присоединить новую молекулу АТФ; ее присоединение уменьшает сродство миозиновой головки к актину, миозин возвра­ щается в исходное состояние, и начинается новый цикл взаимодействия с акти­ ном. В новом цикле та же самая головка присоединяется уже к другому мономеру актина, расположенному ближе к Z-пластинке, поскольку вся актиновая нить пере­ местилась (состояние г на рис. 22.6).

Сотни миозиновых головок каждой миозиновой нити работают одновремен­ но (но не синхронно), втягивая актиновую нить. Предельное сокращение мышцы развивается в сотые доли секунды (порядка 0,02 с). Сила сокращения зависит от количества миозиновых головок, включенных в работу.

Покоящаяся мышца эластична, легко растягивается. Сокращенная мышца, на­ оборот, неэластична, ригидна; растяжению препятствуют связи между актиновыми и миозиновыми нитями.

Ригидность возникает также при сильном снижении концентрации АТФ в мышцах: в этих условиях все большее и большее число миозиновых головок ос­ тается связанным с актином в состоянии в (рис. 22.6), так как для выхода из это­ го состояния требуется АТФ.

Такая ригидность может возникать, например, при сильной гипоксии. Окоче­ нение трупа также обусловлено образованием связей между актиновыми и миози­ новыми нитями вследствие исчезновения АТФ.

ВКЛЮЧЕНИЕ СОКРАЩЕНИЯ МЫШЦЫ

Сокращение мышцы включается потенциалом действия нервного волокна, кото­ рый через нервно-мышечный синапс при посредстве медиатора трансформиру­ ется в потенциал действия сарколеммы и трубочек Т-системы. Ответвления тру­ бочек окружают каждую миофибриллу, а также контактируют с цистернами саркоплазматического ретикулума (см. рис. 22.2). В цистернах в значительной концентрации содержится кальций, часть которого хранится в соединении со специальным Са-связывающим белком секвестрином. Потенциал действия, посту­ пающий по трубочкам, вызывает освобождение ионов Ca2+ из цистерн саркоплазматического ретикулума. В покоящихся мышцах концентрация кальция в цитозо­ ле клеток несколько меньше IO"7 м оль/л; при возбуждении она увеличивается при­ мерно до IO"5 моль/л. При такой концентрации молекулы тропонина насыщаются ионами Ca2+, и включается сокращение.

В мембране capко плазматического ретикулума имеется Са-АТФаза, которая составляет преобладающий интегральный белок этих мембран (около 90 % от всех белков). При повышении концентрации Ca2+ в цитозоле Са-АТФаза начинает пе­ рекачивать его обратно в полость ретикулума. Если с нерва не поступает новый

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.