10.3. Функция поперечных мостиков и развитие силы

 

Наиболее  важные вопросы, которые  встают при исследовании мышцы,  касаются функции поперечных мостиков. Согласно новейшим версиям теории скольжения нитей, сила мышечного сокращения возникает при последовательном связывании нескольких центров миозиновой головки с определенными участками на актиновых филаментах. Связавшаяся головка поперечного мостика затем отделяется от актиновых филаментов, освобождаясь для следующего цикла связывания с более удаленными участками  актинового филамента. В следующем разделе мы  подробно объясним эту модель.

 

10.3.1. Химия активности поперечных мостиков

 

Изучение химической стороны взаимодействия поперечных мостиков миозина  с актиновыми филаментами  началось несколько десятилетий назад и проводилось как на неочищенных, так и на очищенных экстрактах мышцы. У  полуочищенных актина и миозина (их экстрагировали из свежеизмельченной мышцы кролика концентрированными растворами солей с последующей  преципитацией хлоридом аммония) обнаружили ряд интересных физических свойств. Оказалось, что актин и миозин сами по себе не проявляют ферментативной активности. В частности, ни тот ни другой белок не обладает АТРазной активностью (т. е. не может осуществлять ферментативный гидролиз конечной фосфатной связи в АТР). Однако, связавшись с актином, миозиновая головка поперечного мостика приобретает активность АТРазы  и катализирует следующие реакции:

 

 

Mg–ATP + Актомиозин  → Актомиозин–Mg²⁺–ATP   →  Aктoмиoзин–Mg²⁺–ADP +  Р_i.

 

                Связывание миозина с актином происходит в отсутствие АТР или при угнетении активного центра АТРазы. Это  может означать, что присоединение актина к миозину происходит не в том месте, где находится активный центр АТРазной  активности миозина. Хотя в данный процесс вовлекаются, по–видимому, разные участки миозина, между актин–связывающим   центром  и активным  АТРазным центром существует взаимодействие, судя по тому, что АТРазная активность миозина сильно возрастает после образования актомиозинового комплекса. Образование  последнего приводит к повышению АТРазной  активности, вероятно, с помощью аллостерического механизма. Вся АТРазная и актинсвязывающая  активность миозина сосредоточена в его головке. Именно эта часть молекулы миозина вступает в контакт с актиновым филаментом в живой мышце.

 

10.3.2. Активность поперечных мостиков и мышечное сокращение

 

Зависимость силы сокращения от положения поперечных мостиков непосредственно в живой сокращающейся мышце  удалось изучить с помощью метода рентгеноструктурного анализа. Еще в 50–х годах Хаксли (Н. Е. Huxley) исследовал молекулярную организацию скелетной мышцы  с помощью  дифракции  рентгеновских лучей. Использование этого, весьма специального метода для изучения мышц оказалось возможным  благодаря высокоупорядоченной, почти кристаллической организации мышечных  филаментов. Миллер  и Трегир (A. Miller,R.T. Tregear, 1971) применили рентгеноструктурный анализ, чтобы исследовать изменения в организации филаментов в процессе сокращения, используя в качестве объекта фибриллярную летательную мышцу насекомых (см. разд. 10.8.3). Эта мышца была выбрана в связи с тем, что она способна к спонтанно осциллирующим   переходам сокращение – расслабление без контроля со стороны нервной системы. Такие переходы возникают после предварительной экстракции ионов и растворимых  молекул путем длительного выдерживания мышцы  в условиях низкой температуры в водно–глицериновом растворе. Дифракционную  картину воспроизводили на свинцовом экране (рис. 10–9, А), который имел отверстие в положении, соответствующем пятну, возникающему вследствие периодичности структуры актина (см. рис. 10–5). Не касаясь теории дифракции рентгеновских лучей, мы можем просто констатировать, что интенсивность рентгеновского излучения в том месте дифракционной картины, которое занято ярким пятном, зависит от числа структур в исследуемом образце, образующих  это пятно. Следовательно, если поперечные мостики выступают из миозинового филамента и  прикрепляются к актину, то они рассеивают рентгеновские лучи, которые создавали яркое пятно, обусловленное периодичностью структуры актина. В итоге интенсивность рентгеновских лучей в месте расположения пятна ослабевает. Интенсивность рентгеновского излучения, порождающего пятно, регистрируют позади отверстия в свинцовом экране счетчиком Гейгера. В условиях быстро чередующихся сокращений  и расслаблении колебания интенсивности пятна, соответствующего актину, коррелировали с колебаниями напряжения мышцы.  Эта  зависимость изображена на рис 10–9, Б. Увеличение силы, развиваемой мышцей, коррелировало с ослаблением сигнала, происходящим вследствие прикрепления поперечных мостиков к актиновым  филаментам.  Так  подтвердилась мысль о том, что скользящее движение миозиновых и актиновых филаментов  друг относительно друга обусловлено силами, генерируемыми при взаимодействии поперечных мостиков с актиновыми филаментами.

 

Рис. 10.9. Применение метода рентгеноструктурного анализа для изучения зависимости между силой, развиваемой мышцей, и движением поперечных мостиков. А. При  исследовании дифракции рентгеновских лучей счетчик Гейгера, расположенный позади отверстия в свинцовом экране, регистрирует колебания интенсивности излучения на уровне пятна, образованного отражением лучей от актина. Яркость рентгеновского пятна слабеет по мере прикрепления поперечных мостиков к актину и смазывания четкой периодичности структуры актинового филамента. Б. Напряжение летательной мышцы   жука–плавунца при циклических сокращениях (обозначено пунктирной линией). Яркость рентгеновского пятна уменьшается  (т. е. число присоединенных поперечных мостиков  растет; обозначено сплошной линией), а сила мышцы увеличивается. Обратите внимание на высокую яркость рентгеновского пятна при релаксации мышцы,  (Miller, Tregear, 1971.)

 

Рис. 10.10. А. Последовательность процессов прикрепления поперечных мостиков к актиновым филаментам: расслабленное состояние (вверху); прикрепление миозиновых головок к актину (в середине); вращение головок тянущее актиновый  филамент  (внизу) и заставляющее  его скользить вдоль миозинового. Здесь показано синхронное действие поперечных мостиков но в действительности оно происходит асинхронно (Huxley, 1969;  Huxley, Simmons, 1970). Б. Модель функции поперечного мостика согласно которой на  миозиновой головке имеются  4 центра связывания. Эти центры  от  М1 до М4, последовательно (слева направо) взаимодействуют с центрами актинового филамента.  Возникающее вращение головки передает тянущее усилие на эластичный мостиковыи шарнир растягивая его. Развившаяся сила увлекает актиновый филамент  влево заставляя его скользить мимо миозинового филамента (Huxley, Simmons, 1971). В. Общая схема цикла работы поперечного мостика (Keynes, Aidley, 1981.)

 

                Поперечные мостики должны  последовательно прикрепиться к актиновому филаменту, развить силу, отойти и вновь прикрепиться в другом месте. Для того чтобы поддерживать  активное сокращение, поперечные мостики должны  работать асинхронно, т.е. в любой момент времени часть из них прикреплена к актину, тогда как другие отсоединены.  После отсоединения поперечный мостик должен вновь прикрепиться к актиновому филаменту, но уже  дальше, в сторону  Z–пластинок, внося тем самым  вклад в активное скольжение вдоль указанного направления.

                Один из основных вопросов по поводу функционирования поперечных мостиков относится к преобразованию  химической энергии в механическую. Как же все–таки поперечные мостики генерируют силу для скольжения толстых и тонких филаментов друг относительно друга? По этому поводу высказан ряд гипотез. Широкое распространение получила  точка зрения, что сила генерируется за счет колебания  или  вращения  миозиновой   головки (рис 10–10, А) и затем передается на толстую нить через шейку молекулы  миозина.  Шейка образует мостиковый шарнир, расположенный между  головкой миозиновой молекулы и толстым филаментом.. В данной  гипотезе мостиковый шарнир выступает как соединение между головкой миозина и толстым  филаментом, которое передает силу, развиваемую  при вращении головки на актиновом филаменте.

                Исследования механических свойств сокращающейся мышцы, проведенные Хаксли и Симмонсом  (A. F. Huxley, R. M. Simmons), подтвердили такую  точку зрения на функцию  поперечных мостиков.  Авторы показали, что основная часть упругого компонента мышцы,  включенная  последовательно с  сократительным элементом (см. разд. 10.6), находится в самих поперечных мостиках, предположительно в мостиковом  шарнире.  Они высказали  мысль, что упругое растяжение шарнира служит  важным моментом в процессе запасания механической энергии при вращении головки миозина вокруг  актинового филамента (рис. 10–10, Б). В соответствии с данной гипотезой вращение генерируется не сколькими центрами миозиновой головки, которые  поочередно взаимодействуют с центрами на актиновом филаменте. Центры упорядочены таким об разом, что актин–миозиновое сродство возрастает  от M₁  к М₂,  от М₂  к  М₃  (слева направо на  рис. 10–10, Б) и так далее. Следовательно, после  прикрепления центра М₁  у миозиновой головки  появляется тенденция к вращению для прикрепления центра М₂, затем М₃ и так по порядку.

                Упругость мостикового шарнира  способствует вращению  головки без заметных скачкообразных колебаний развиваемой силы. Растянувшись, мостиковый шарнир  будет передавать свое усилие толстому  филаменту  мягко,  содействуя активации скольжения филаментов. Один из главных аргументов в пользу приведенной схемы процесса – это то, что, по данным Хаксли  и Симмонса,  последовательно  соединенный  упругий  компонент   (см. разд. 10.6.4) мышечного волокна пропорционален величине взаимного перекрывания тонких и толстых  филаментов, а следовательно, пропорционален числу присоединенных поперечных мостиков. Авторы  также установили, что внезапно возникающее не большое укорочение сопровождается очень быстрым возрастанием развиваемого усилия; они объясняют  это лишь  поворотом  головок поперечных  мостиков, взаимодействующих с актином, в более стабильное положение (т.е. от положения М₁ до  положения М₄).

                Некоторые аспекты функционирования поперечных мостиков пока остаются недоказанными. Современное понимание последовательности связанных с ними процессов (рис. 10–10, В) сводится к следующему.

                1. Головка поперечного мостика присоединяется к актиновому филаменту  в первом из последовательно расположенных стабильных центров. Затем она перемещается ко второму, третьему и последующим  центрам, каждый из которых обладает большим   миозин–актиновым  сродством по сравнению с предыдущим  (т.е. обладает более низким энергетическим состоянием).

                2. Такое взаимодействие структур порождает колебание, или вращение, миозиновой головки, в результате чего она тянет за собой мостиковый шарнир, прикрепленный другим концом к толстому филаменту. Благодаря упругости шарнира скачкообразные колебания головки не вызывают ощутимых  скачков развиваемого усилия.

                3. Усилие через мостиковый шарнир передается миозиновому  филаменту.  Возникает скольжение, сопровождаемое  убыванием напряжения, возникающего  при растяжении шарнира.

                4. Когда миозиновая головка заканчивает свое вращение, она отходит от актинового филамента и возвращается в расслабленное положение. Отделение миозиновой головки обусловлено связыванием Mg²⁺–ATP    с активным центром АТРазы в головке миозина. АТР  гидролизуется в АТРазном  центре миозиновой  головки, и гидролиз сопровождается конформационными   изменениями последней, переводящими   ее в высокоэнергетическое состояние. Когда миозиновая  головка вновь присоединяется к актиновому филаменту, запасенная в ней энергия используется для вращения головки относительно актина, и происходит активное скольжение. При следующем  отделении миозина от актинового филамента цикл повторяется, но уже немного дальше по ходу  актинового филамента. Таким образом, процесс скольжения  складывается из отдельных микроскопических стадий присоединения, вращения и отсоединения огромного числа поперечных мостиков, содержащихся в каждом саркомере.

                В  этой связи стоит особенно подчеркнуть два момента. Во–первых, АТР не используется непосредственно для развития силы в поперечном мостике, но она необходима для разъединения головки миозина и актинового филамента. Это позволяет головке вновь присоединиться к актину и повторить цикл. Во–вторых, для прикрепления поперечного мостика нужен свободный внутриклеточный Са²⁺ в концентрации свыше 10^–7 M.

                Важно подчеркнуть, что укорочение мышцы  за счет активности поперечных мостиков может идти только в том  случае, если внешняя нагрузка не мешает этому процессу (изотоническое сокращение). Если  внешняя нагрузка препятствует укорочению (изометрическое сокращение), активность поперечных мостиков приводит к напряжению. На  самом деле внешняя нагрузка может вызвать даже удлинение мышцы, несмотря на активное усилие, обусловленное функцией поперечных мостиков. Это происходит, например, в мышцах–разгибателях ног при спуске с горы.