ЛЕКЦІЯ №13 на тему:
БІОФІЗИКА М”ЯЗІВ
ТА КЛІТИННОЇ РУХОМОСТІ
Рух – одна з важливих і характерних властивостей живої матерії. Однак біофізичні механізми, що лежать в основі руху є дуже різноманітні.
Всі рухові системи поділяють на м'язові та нем'язові.
М'язове скорочення – приклад високоспеціалізованого руху, механізми якого добре вивчені на молекулярному рівні. У м'язах основна маса клітинної речовини спеціалізована для виконання скоротливої функції. Два основні білки – актин та міозин становлять близько 80% загального білка м'язів.
Актино-міозиновий комплекс – важливий приклад перетворення хімічної енергії у механічну.
Розрізняють три типи м'язових систем:
Поперечносмугасті (скелетні) м'язи
Серцевий м'яз;
Гладкі м'язи
ПОПЕРЕЧНОСМУГАСТІ М”ЯЗИ
Поперечносмугасті скелетні м'язи хребетних тварин складаються з м'язових волокон – багатоядерна клітина циліндричної форми діаметром від 20 до 80 мкм і довжиною декілька міліметрів. Кожне волокно містить близько 200 міофібрил (М) діаметром 1-2 мкм – спеціалізована функціональна ультраструктура поперечносмугастих м'язових волокон.
Характерною особливістю будови М є поперечна смугастість, яка зумовлена високою упорядкованістю розміщення тонких та товстих протофібрил.
Структура скелетних м'язів
БУДОВА М”ЯЗОВОГО ВОЛОКНА
Кожна міофібрила за допомогою Z-дисків поділена на структури – саркомери (довжина 2-3-мкм).
Товсті та тонкі протофібрили у центрі саркомера утворюють анізотропну смужку (А-диск ).
Н-зона не містить головок міозину.
М-смужка – розташована посередині Н-зони
Щодо структурно-функціонального стану, то поперечнопосмуговані м'язові волокна можна поділити на фазні (швидкі та повільні) та тонічні.
Фазні м'язові волокна відповідають з поодиноке збудження короткочасним скороченням. Це волокно має видовжену циліндричну форму, до нього можна застосувати кабельну теорію. Rm – 3000-5000 Ом·см2, С – 2,0 мкФ/см2, ПД – -80÷-90 мВ.
Пд поперечносмугастих м”язів
ПД фазного м'язового волокна має амплітуду 120-130 мВ, овершут – (перевищення над нульовим рівнем МП) – від +30 до +50 мВ, тривалість 3-5 мс. Порогова деполяризація – 15-25 мВ, слідова деполяризація має амплітуду 15-30 мВ, час ранньої слідової деполяризації 10-15 мс (швидкість спаду кінцевої частини слідової деполяризації). Після припинення тетанічного подразнення з'являється значна й тривала пізня слідова деполяризація.
За нормальних умов тонічні м'язові волокна не здатні генерувати ПД, однак після денервації та додавання у зовнішній розчин ТЕА, або іонів Sr2+ або Ba2+ набувають такої здатності до генерації ПД.
У відповідь на деполяризацію у тонічних волокнах виникає контрактурне скорочення, яке триває упродовж тривалості деполяризації, це волокно скорочуються в 10 разів повільніше.
Зв'язок між збудженням і скороченням у поперечносмугастих м'язах.
ПД фазного м'язового волока викликає поодиноке скорочення яке триває понад 300 мс.
При збудженні в активації скорочення м'язів головним фактом є деполяризація мембрани, а не іонна природа цього процесу. Деполяризація мембрани викликана ПД поширюється на Т-систему трубочок і стимулює вивільнення іонів Са2+ із саркоплазматичного ретикулуму (СПР). Отже повинна існувати система управління цим процесом, оскільки збудження повинно передаватися вглибину волокна на 10 мкм і синхронізувати роботу усіх міофібрил.
А.Хакслі (1959) припустив, що цю роль виконує спеціальна структурно-функціональна система електромеханічного зв'язку :
Сарколема;
Т-система (має велику кількість інвагінацій ПМ досередини волокна, діаметр цих трубочок 0,03 мкм);
СПР;
Регуляторні білки тонкої протофібрили
Зв'язок між збудженням і скороченням у поперечносмугастих м'язах.
Порожнина Т-трубочок сполучається з зовнішнім середовищем, площа поверхні Т-трубочок у 4 рази більша від площі ПМ. Повноцінний ПД виникає на мембрані Т-системи і здатен збуджувати всі міофібрили волокна в радіальному напрямку. Це зумовлює швидке скорочення волокна за типом “все або нічого”.
Деполяризація мембрани Т-трубочок передає і регулює надходження сигналу від ПМ до СПР, завдяки чому вивільняється Са2+ з цистерн останнього.
САРКОПЛАЗМАТИЧНИЙ РЕТИКУЛУМ
На сьогодні немає задовільного пояснення передачі сигналу від СПР до Т-системи для активації вивільнення Са2+ .
МОДЕЛІ
Механічна – зміщення негативних зарядів у мембрані Т-трубочок під час деполяризації зсувають містки у тріадах, що спонукає відкривання Са2+ -каналів СПР;
Електрична – заряди які проходять через містки, деполяризують мембрани ретикулума, що стимулює відкривання Са2+ -каналів СПР;
Хімічна – передача сигналу від Т-системи до СПР здійснюється іонами Са2+ м'язового волокна, або ІТФ.
МЕХАНІКА СКОРОЧЕННЯ
Ізометричний – напруження активного м'язу не супроводжується скороченням;
Ізотонічний – м'яз скорочується, до вільного кінця м'язу прикріплюють вантаж і тоді А =mh.
Ізотонічне скорочення. При однаковій вихідній довжині м'язу:
Ступінь і швидкість укорочення є тим більшим, чим менше навантаження;
Укорочення досягає свого максимуму тим швидше, чим більше навантаження;
Чим більше є навантаження, тим пізніше після подразнення починається скорочення і тим раніше воно закінчується.
Важливою характеристикою ізометричного скорочення є швидкість вкорочення м'язу V: при Р=0 – Vmax.
Наприклад, м'яз жаби скорочується зі V=0,2 м/с, м'язи великих тварин 8 м/с.
ЕНЕРГЕТИКА СКОРОЧЕННЯ
За допомогою чутливих термопар А. Хілл виміряв малі кількості виділеного тепла (при поодинокому ізометричному скороченні видіялється 12,54 Дж·кг-1).
де b – константа;
Ро – максимальне ізометричне напруження м'яза;
а – коефіцієнт теплоти вкорочення;
v – швидкість скорочення
Рівняння Хілла встановлює зв'язок між напругою та швидкість вкорочення м'яза:
Хілл встановив важливий факт, що при ізотонічному скороченні теплота вкорочення QВ, є пропорційною величині вкорочення мяза ∆L:
де а – коефіцієнт теплоти вкорочення
Під час ізотонічного скорочення м'язів хімічна енергія гідролізу АТФ перетворюється в механічну й теплову. Швидке виділення спостерігається на початковій стадії активації скорочення – це теплота активації А, вона виділяється в результаті вивільнення іонів Са2+ із СПР.
У міру скорочення мяза виділяється основна кількість теплоти, яка називається теплотою вкорочення QВ, невелика кількість теплоти виділяється чи поглинається при розслабленні м'яза QР, крім цього виконується механічна робота W.
МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ М”ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ
Дані електронної мікроскопії та рентгеноструктурного аналізу свідчать про наявність двох видів протофібрил з точним розміщенням у гексагенальну структуру: товстих (l= 1,6 мкм, d =16 нм) й тонких (l= 1 мкм, d =8 нм).
Взаємодія між товстими та тонкими протофібрилами здійснюється з допомогою поперечних містків, які виступають з міозинових протофібрил. Зміни довжини саркомера пояснює теорія або модель ковзання протофібрил.
Тонка протофібрила:
основним білком є фібрилярний актин (F-актин), утворюється з G-актину (42 кДа) шляхом полімеризації при підвищенній іонній силі та за присутності іонів Mg2+ та АТФ. Нитки F-актину утворюють двотяжеву спіральну структуру з періодом 72 нм, яка є функціонально і структурно полярною;
Актин:
Найпоширеніший білок в еукаріотичних клітинах
-м'язи містять 10% А від загальної кількості білка;
-нем'язові клітини 1-5% від маси клітинних білків (0,5мМ)
-за синтез відповідає родина генів, у дріжджів та амеб -1, людини – 6 (декілька ізоформ), рослини – до 60 генів
Найпоширеніший білок в еукаріотичних клітинах
-між генами людини та амеб до 80% гомології;
-в людини існує декілька ізоформ актину:
4a -актинові ізоформи в м'язах;
1β та 1γ - актинові ізоформи у нем'язових клітинах
Дві форми актину
-глобулярний G-актин
-фібрилярний F-актин (лінійний ланцюг утворений субодиницями G-актину);
-глобулярний G-актин – широку розколину, яка містить ділянки зв'язування магнію та АТФ
розрізняють 2 форми упаковки
-пучок – паралельне розміщення актинових філаментів
-сітка – довільне просторове розміщення актинових філаментів
3 фази полімеризації актину:
1. ядерна фаза (АТФ/ G-актин агрегуються у форму олігомеру (3-4 субодиниці), яка може діяти як стабільне ядро);
2. фаза елонгації (актинові мономери додаються до обох кінців ядра, з “-”-кінця у 10 разів швидше, ніж з “+”-кінця)
3. стійка фаза (G-актинові мономери обмінюються субодиницями з кінцем філаменту; розмір філаменту не міняється; внутрішні субодиниці повільно гідролізують АТФ);
Полімеризація актину:
Регулює процес 2 білки:
Тимозин β4 (5 кДа, мономерний протеїн, зв'язується з G-білком 1:1 – це блокує полімеризацію);
Полімеризація актину:
Регулює процес 2 білки:
Профілін (15 кДа, мономерний протеїн, зв'язується з G-білком 1:1, з залишками аргініну, гістидину та фенілаланіну; активує додавання G-мономері до “+”-кінця F-актин );
Тонка протофібрила:
фібрилярний білок тропоміозин (ТМ, 68 кДа), зв'язує нитки спіралі актину, стабілізує філаменти, модулює зв'язування міозину;
крім актину є ще та глобулярний білок тропонін (ТН, 70 кДа). Ці білки перебувають у співвідношенні:
7 F-актину : 1 ТМ : 1ТН
Тонка протофібрила:
Молекули ТМ містяться в борознах актинової суперспіралі, до 1 молекули ТМ кріпиться 1 молекула ТН, котра в свою чергу складається з 3 субодиниць:
ТН-Т – тропоміозин-зв”язувальна субодиниця (30,5 кДа);
ТН-І – інгібіторна субодиниця (20,7 кДа);
ТН-С - Са2+-зв”язувальна субодиниця (17,8 кДа), має 4 Са2+-зв”язувальні центри (2 з високим спорідненням лише до Са2+, та 2 з спорідненістю до Mg2+).
Тонка протофібрила:
Тропомодулін;
Небулін – стабілізує ефект по всій довжині тонкого філаменту;
Інші білки саркомеру:
a-актин – зшиває актин у Z-дисках;
Тітін – молекулярна пружина, продовжує половину саркомеру від Z-диску до М-лінії
ТОВСТІ ПРОТОФІБРИЛИ
Основним білком є міозин – механоензим, що циклічно взаємодіє з актином тонкої протофібрили , який складається з 6 поліпептидних ланцюгів – 2 важких (340 кДа) і 4 легких (140 кДа) ланцюгів мероміозину,
С1 та С2 субфрагментів, які входять до складу Важкого мероміозину, до краю Легкого мероміозину протофібрили приєднуються головки, які стирчать з кроком спіралі 43 нм.
МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ М”ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ
В основі м'язового скорочення лежить взаємодія між товстою та тонкою протофібрилами, яка регулюється іонами Са2+ .
Запропонована стерична модель регуляції скорочення :
Іони Са2+ зв'язуються з ТН-Са2+, викликаючи зміни в структурі білків тонкої нитки протофібрили через зміни ТМ і актин до АТФ-азного центру міозину.
Якщо іони Са2+ в клітині містяться у концентрації 10-8 М, то ТМ знаходиться під кутом 50о до осі протофібрили, і субодиниця ТН-І не дозволяє взаємодіяти актину з міозином. При виникненні збудження ТН-Са2+ зв'язує відповідні іони, ТМ сповзає в борозну під кутом 70о, і ТН-І звільняє центр зв'язування на актин.
МІОЗИН ТА АТФ-азна РЕАКЦІЯ
Для виконання механічної роботи м'яз використовує енергію АТФ. Міозинову АТФазу відкрили Енгельгардт й Любимова (1939), кінетика цього ферменту не описується рівнянням Міхаеліса-Ментен.
Цей фермент має певні особливості – здатні утворювати інтермедіати (проміжні конформації М* і М** багаті енергією). При взаємодії А-М з АТФ утворюється комплекс АМ**ФАДФ, якщо А заблокований, то М*+АТФ↔М**ФАДФ;
Стадія АМ**ФАДФ↔АМ*ФАДФ значно швидша ніж М**ФАДФ↔ М*ФАДФ(конформаційні перебудови головки
ТЕОРІЯ М”ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ
Першою була кінетична теорія Хакслі (модель взаємного ковзання двох типів протофібрил, 1954) – товсті та тонкі протофібрили ковзають одна відносно одної, не міняючи довжини, сила яку розвиває саркомер пропорційна кількості мостиків в зоні перекриття фібрил.
Модель Дещеревського (1968) – на товстих протофібрилах є мостики, які замикаються на тонких протофібрилах. Існує три стани мостика: вільний; замкнутий, що тягне з силою f і замкнутий, що гальмує, з силою f . Виходячи з циклічної роботи мостика Дещеревський приходить до рівняння Хілла.
ТЕОРІЯ М”ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ
де α – загальна кількість мостиків;
n – тягнучі мостики;
m – гальмуючі мостики;
k1 – швидкість переходу з вільного стану до замкнуто тягучих;
k2 - швидкість переходу з замкнуто тягучого стану до замкнуто гальмівного;
l – віддаль на яку тягне місток;
v – швидкість ковзання
На сьогодні актуальна модель Хакслі-Сімонса “ковзаючий філамент-обертаючий місток”, під кутом 45о – відкритий, під кутом 90о – замкнутий. Неясним залишається лише те, як на молекулярному рівні енергія гідролізу АТФ перетворюється в ковзання протофібрил.
Теорія Давидова (1977) – енергія АТФ (33 кДж·М-1) достатня для збудження внутрішньомолекулярних коливань в молекулі поліпептида
Регуляція скелетних м'язів рухом міозину
Міозин зв'язується з відповідним сайтом на актині - це блокується за відсутності Ca2+.
Періодичне вивільнення Ca2+ дозволяє Tn/TM комплексу обертатися латерально, таким чином, розкривати звязуючий сайт міозину
Регуляція скелетних м'язів
Myosin: червоний
Actin: коричневий
Tropomyosin: голубий
Troponin: фіолетовий
Calcium: пісочний
ATP/ADP зелений
АКТОМІОЗИНОВА взаємодія
Міозин рухається в напрямку кінця зазубрин актинових філаментів
Механохімічна енергія йде від гідролізу ATф
+ ATP, слабо зв'язується
ATP висока спорідненість до зв'язування
ТМ і ТН модулюють актоміозин
1. Головка міозину зв'язується з відповідною ділянкою актинового філаменту, перша розміщена під кутом 45о
2. Молекула АТФ зв'язується із сайтом на міозині, який тоді дисоціює від актину
3. Міозинова АТФазна гідролізує АТФ, АДФ та Фн знову зв'язуються з міозином
4. Головки міозину пересуваються і зв'язуються з молекулою актину, вони знаходяться під кутом 90о
5. У кінці міозинові головки звільняють АДФ, відновлюючись щільно зв'язуються з ділянкою
6. Звільняється Фн , що ініціює рухову силу. Головки міозину обертаються навколо осі, штовхаючи філаменти актину