А.Н. ТИХОНОВ

Окончание. См. № 41/2003

Мышечное сокращение

Молекулярные основы биологической подвижности

Элементарный акт мышечного сокращения

Молекулы миозина и актина, взаимодействуя друг с другом, образуют актомиозиновый комплекс, в котором и разыгрываются основные события, приводящие к созданию силы, вызывающей сокращение мышцы. В покоящейся мышце миозиновые мостики не проявляют АТФазной активности, поскольку тропомиозин и белки тропонинового комплекса препятствуют взаимодействию головок миозина с нитью актина. Активация актомиозинового комплекса инициируется ионами Са²⁺. Концентрация Са²⁺ в цитоплазме мышечной клетки в покое (расслабленная мышца) составляет менее 0,1 мкм, что гораздо ниже концентрации Са²⁺ в межклеточной жидкости. Это обусловлено работой специального фермента – кальциевого насоса саркоплазматического ретикулума, который, используя энергию молекул АТФ (АТP), перекачивает Са²⁺ из цитоплазмы в специальные цистерны. Под действием нервного импульса ионы Са²⁺ выходят из кальциевых цистерн и связываются с ТnC. Это приводит к структурным изменениям остальных белков тропонинового комплекса. В конечном итоге изменяется положение тропомиозина относительно нити F-актина, и теперь головка миозина может связываться с актином. Тянущая сила, вызывающая смещение миозина вдоль нитей актина, возникает за счет структурных изменений в каталитическом центре миозина после гидролиза молекулы АТФ. Миозин напоминает механическое устройство, в котором головка и шейка миозинового мостика играют роль своеобразного рычага, позволяющего увеличить амплитуду смещения миозинового хвоста. Этот рычаг одним из своих концов опирается на актиновую нить, другой конец рычага соединен с хвостом молекулы миозина (рис. 3). После гидролиза АТФ и диссоциации Ф_н (Р_i) и AДФ (ADP) из каталитического центра в головке миозина происходят структурные перестройки, в результате которых зацепленная за нить актина головка миозина поворачивается на угол a = 30–40°, увлекая за собой хвост миозина (рис. 3). Так возникает сила, вызывающая скольжение толстых нитей миозина вдоль нитей актина.

Рис. 3. Схема, показывающая изменение положения головки миозина (S1) относительно тонкой нити в ходе структурных перестроек актомиозинового комплекса, которые приводят к возникновению силы, тянущей хвост миозина

При структурных перестройках в каталитическом центре фрагмента S1 смещения атомов в активном центре сравнительно невелики. Однако они вызывают значительное перемещение хвоста миозина (3–5 нм для миозина скелетных мышц). Это происходит из-за того, что рычаг, передающий смещение от каталитического центра к хвосту миозина, имеет неравные плечи: активный центр S1 находится гораздо ближе к точке опоры, чем место соединения шейки с хвостом миозиновой нити (рис. 3). Интересно, что у молекул миозина, принадлежащих различным классам, амплитуда смещения хвоста за один рабочий шаг может заметно отличаться. Это определяется тем, что длина рычага у разных форм миозина не одинакова (рис. 2, в; см. № 41/2003). Так, например, у молекул миозина V, выполняющего функции транспортного белка, шейка в несколько раз длиннее, чем у миозина скелетных мышц (миозина II). Поворот головки миозина V на угол 30–40° приводит к смещению хвоста на расстояние 20 нм, что приблизительно в пять раз больше рабочего шага миозина скелетных мышц.

Рабочий цикл актомиозинового комплекса

Рис. 4. Цикл структурных превращений актомиозинового комплекса, приводящих к смещению молекулы миозина вдоль нити актина

В процессе сокращения мышцы каждая головка миозина совершает многократные повороты, периодически изменяя угол своего наклона относительно нити актина. В расслабленной мышце миозиновый мостик отделен от актиновой цепи (рис. 4, состояния 7 и 2). Свободная головка миозина обладает определенной подвижностью. За счет шарниров, расположенных в местах соединения фрагментов S1 и S2, угол ее наклона относительно хвоста может изменяться. При связывании молекулы АТФ с миозином его головка остается отсоединенной от актина (рис. 4, состояние 7). Затем молекула АТФ расщепляется на AДФ и Ф_н (рис. 4, переход из состояния 7 в состояние 2), которые остаются прочно связанными с каталитическим центром. Вслед за гидролизом АТФ головка миозина присоединяется к актиновой нити: сначала образуется слабая связь (состояние 3), затем возникает более прочная связь (состояние 4), но миозиновый мостик остается пока неподвижным. Прочное связывание головки миозина с актином приводит к высвобождению фосфата Ф_н из активного центра (переход из состояния 4 в состояние 5). Изменения, происходящие в каталитическом центре после диссоциации Ф_н, вызывают усиление связи миозина с актином и появление силы, вызывающей поворот мостика в сторону хвоста (переход из состояния 5 в состояние 6). В результате хвост миозина смещается вдоль нити актина, и длина саркомера уменьшается. После этого молекула AДФ высвобождается из каталитического центра, что приводит к отсоединению головки миозина от актина и завершению цикла структурных преобразований (переход из состояния 7 в состояние 1). В результате многократно повторяющихся циклов гидролиза АТФ возникает направленное скольжение нитей миозина и актина друг относительно друга.

Кооперативная и индивидуальная «трудовая деятельность» миозина

В мышечных волокнах молекулы миозина работают не индивидуально, а кооперативно, в составе крупных макромолекулярных ансамблей. В миофибриллах молекулы миозина собраны в жгуты, из которых выступает множество миозиновых мостиков в сторону нитей актина (рис. 1; см. № 41/2003). Установлено, что во время сокращения мышцы в каждый момент времени лишь небольшая часть мостиков (10–15%) находится в контакте с нитями актина. Это значит, что каждый из мостиков большую часть времени проводит в свободном состоянии и не создает тянущей силы. Однако молекулы миозина, у которых мостики отсоединены от актиновых нитей, при сокращении саркомера перемещаются вместе с остальными молекулами миозинового жгута. Это приводит к тому, что каждый мостик не просто шагает вдоль нити, равномерно ступая между соседними звеньями актиновой цепи, а как бы прыгает вдоль нее. Длина таких прыжков составляет 36–38 нм (рис. 5, а), что многократно превышает размер индивидуального шага (S = 4 нм). Таким образом, сокращение мышечных волокон обеспечивается за счет кооперативной работы большого количества молекул миозина, собранных в толстые нити. Движение пучка молекул миозина вдоль нити актина можно сравнить с перетаскиванием бревна большой группой работников, из которых лишь небольшая часть тружеников (10–15%) опирается ногами на землю, в то время как остальные работники в это время висят на бревне, не касаясь земли. Подобно мостикам миозина, работники периодически меняются ролями, однако в каждый момент времени активно работает лишь небольшая часть тружеников, несущих бревно вместе с висящими на нем товарищами (рис. 5, б).

Рис. 5. Схема перемещения молекулы миозина вдоль нити актина

 Немышечные формы подвижности

Кооперативный способ работы молекул миозина, характерный для скелетных мышц, встречается также в некоторых других сократительных системах. Известна, однако, большая группа моторных белков, которые работают индивидуально: механохимические превращения у них протекают равномерно, а перемещение происходит отдельными шагами, без длинных прыжков. К таким молекулярным моторам относятся некоторые классы немышечных миозинов, работающих в клетках животных и растений в качестве переносчиков мембранных частиц.
Простейшие молекулы миозина, выполняющие работу индивидуальных переносчиков (например, миозин класса I), имеют глобулярную головку и короткий хвост. Двигаясь вдоль актиновой нити цитоскелета, молекула-переносчик может тащить за собой органеллу, к которой она прикрепляется своим хвостом.
Движение органелл легко наблюдать в некоторых крупных клетках, таких как гигантские клетки зеленой водоросли Nitella.
Интересна структурная организация транспортной системы, обеспечивающей циркуляцию цитоплазмы в клетках зеленых водорослей. На периферии клетки, рядом с плазматической мембраной, находится слой хлоропластов, которые примыкают к неподвижному кортикальному слою, содержащему пучки актиновых нитей.
Молекулы миозина равномерно перемещаются вдоль нитей актина, совершая круговое движение внутри клетки. При этом они увлекают за собой сравнительно крупные органеллы (митохондрии, эндоплазматический ретикулум, ядра и др.), которые перемещаются со скоростью 50–75 мкм/с. Благодаря такому движению в гигантской клетке водоросли возникает циркуляция слоя цитоплазмы между кортикальным слоем и мембраной вакуоли. За счет циркуляции цитоплазмы содержимое клетки перемешивается гораздо быстрее, чем это происходило бы за счет простой диффузии.
Гигантские клетки зеленых водорослей достигают длины 2–5 см, поэтому без принудительной циркуляции цитоплазмы молекулам белков потребовалось бы около 10 дней для диффузии от одного конца клетки к другому.
Некоторые формы биологической подвижности до сих пор остаются загадкой. К ним относятся, например, явления, связанные с движением хлоропластов в цитоплазме клеток водорослей и высших растений. Одно из них наблюдается при освещении растений: хлоропласты быстро перемещаются внутри клетки, собираясь вблизи клеточной стенки. Другое было открыто в 1839 г. французским ученым Донне, который показал, что в капле протоплазмы, выдавленной из клетки зеленой водоросли Chara, хлоропласты могут часами вращаться (один оборот за 2–3 с) в одном и том же направлении. Вращение хлоропластов наблюдалось также в цитоплазме интактных клеток водорослей. В.П. Скулачев с сотрудниками показал, что вращение хлоропласта – это энергозависимый процесс, который поддерживается за счет разностей концентраций ионов водорода внутри и снаружи хлоропласта. Возникает, однако, вопрос: что заставляет вращаться хлоропласты, которые, в отличие от бактерий, не имеют на своей наружной поверхности вращающихся жгутиков? Связано ли вращение хлоропластов в цитоплазме с существованием у них специальных пропеллеров, подобных тем, которые недавно были обнаружены у некоторых цианобактерий, или же оно каким-то загадочным образом связано с функционированием многочисленных АТФсинтазных комплексов – самых маленьких электромоторов? Ответы на эти и многие другие вопросы, касающиеся подвижности различных биологических структур, еще предстоит получить.

Кинезин

Кинезин – один из самых простых механохимических белков. В клетках он обеспечивает перемещение различных органелл (митохондрий, лизосом) и супермолекулярных частиц. У дрожжей найдено шесть белков, похожих на кинезин. В клетках мышей обнаружено более 20 подобных белков. Двигаясь вдоль микротрубочек (рис. 6), молекула кинезина может тянуть за собой сравнительно крупные субклеточные частицы.
Тубулиновые микротрубочки построены из глобулярных белков двух типов (- и -тубулин), которые, чередуясь, образуют линейные полимеры (протофиламенты). Из 13 протофиламентов, расположенных по кругу, получаются микротрубочки диаметром около 30 нм, с которыми непосредственно взаимодействуют молекулы кинезина.
По структурным и биохимическим свойствам кинезин напоминает миозин. Молекула кинезина представляет собой димер, образованный двумя одинаковыми полипептидными цепями. Так же как у миозина, с одной стороны каждой полипептидной цепи кинезина формируется глобулярная головка, соединенная со сравнительно длинным хвостом.
Размеры головки невелики: 7,5 х 4,5 х 4,5 нм. Хвосты двух мономерных цепей сплетены вместе, а наклоненные в разные стороны головки образуют своеобразную рогатину, которая непосредственно взаимодействует с мономерами микротрубочки, вдоль которой перемещается кинезин (рис. 6).

Рис. 6. Схема перемещения молекулы кинезина вдоль микротрубочки, состоящей из мономеров тубулина и . Буквами Т и D обозначены головки кинезина, с которыми связаны соответственно АТР или ADP. В исходном положении (состояние 1) головка кинезина, не связанная с микротрубочкой, содержит молекулу ADP. Другая головка, которая в это время контактирует с микротрубочкой, свободна от нуклеотидов. После связывания АТР второй головкой изменяется конформация молекулы кинезина, в результате чего первая головка, содержащая ADP, смещается вправо (переход 1--->2). После отсоединения ADP свободная головка связывается с микротрубочкой (переход 2--->3). Затем происходят гидролиз АТР и отсоединение фосфата (Р_i), в результате чего головка, с которой связана молекула ADP, отходит от микротрубочки (переход 3--->4).

В конечном положении (состояние 4) углы наклона головок кинезина относительно микротрубочки такие же, как в исходном состоянии 1, но при этом молекула кинезина оказывается смещенной вдоль микротрубочки на расстояние, соответствующее двум мономерным звеньям тубулина и тубулина

Каждая из двух головок кинезина обладает АТФазной активностью. Связывание и гидролиз молекулы АТФ в активном центре кинезина, а также последующие события, вызванные отсоединением AДФ и Ф_н от активного центра, сопровождаются изменением положений головок относительно тубулиновых мономеров, в результате чего кинезин перемещается вдоль микротрубочки.
Работа головок кинезина хорошо скоординирована: связывание и гидролиз молекулы АТФ одной головкой димерного комплекса способствует освобождению молекулы AДФ из активного центра другой головки. Головки кинезина попеременно связываются с мономерными звеньями микротрубочки. На рис. 6 показана одна из наиболее вероятных схем работы кинезина, которая объясняет, каким образом происходит перемещение кинезина вдоль микротрубочек.
В ходе структурных перестроек моторных участков кинезина угол наклона головок относительно микротрубочки изменяется, вследствие чего кинезиновый димер смещается вдоль микротрубочки. Это движение по своему характеру напоминает перемещение двуногого существа – головки кинезинового димера попеременно опираются на тубулиновые глобулы микротрубочки.
До сих пор не совсем понятно, каким образом молекула кинезина «шагает». Весьма вероятно, что на определенной стадии происходит поворот рычагов относительно хвоста кинезинового димера (рис. 6). В этом случае движение кинезинового димера вдоль микротрубочки можно было бы сравнить с движением вальсирующего человека, который перемещается в танцевальном зале, периодически совершая повороты на 180° вокруг ноги, опирающейся на пол. После каждого такого поворота танцор переступает на другую ногу, совершая тем самым поступательное движение в пространстве. Один шаг димерного комплекса кинезина приводит к его смещению вдоль микротрубочки на расстояние S = 8 нм. Длина шага S в точности соответствует размеру двух мономерных глобул (-тубулина и -тубулина), из которых построена микротрубочка.
Молекула кинезина обычно совершает не менее 100 шагов, прежде чем отделиться от микротрубочки. Кинезин движется с поразительно высокой скоростью. За одну секунду он делает приблизительно 100 шагов, перемещаясь за это время на расстояние 800 нм. При этом сила, развиваемая одной молекулой кинезина, составляет величину около 6 пН. Если бы такой мощностью в расчете на единицу массы обладали автомобильные моторы, они легко могли бы разгонять машины до скоростей, существенно превышающих скорость звука.
Коэффициент полезного действия кинезинового мотора также велик. Совершаемая им за один шаг работа равна 48 пН•нм, что составляет примерно 60% от энергии, выделяемой при гидролизе одной молекулы АТФ. Работая в качестве индивидуального молекулярного извозчика, кинезин может совершать перемещения на очень большие расстояния (до 1 мм).

Заключение

Мы рассмотрели механизмы работы всего лишь двух молекулярных моторов, которые ответственны за сократительную активность, подвижность и транспортные процессы в клетке. Этими примерами далеко не ограничивается число моторных белков. Одних только механохимических белков типа миозина в клетках различных организмов насчитывается более 15 семейств и свыше 84 видов.
Многие принципиально важные детали механохимических процессов, происходящих при работе актомиозинового и кинезинового комплексов, стали понятными благодаря недавним успехам в изучении молекулярной структуры их моторных белков методом рентгеноструктурного анализа. С высоким разрешением получены картины пространственного строения моторных участков миозина, кинезина, динеина и родственных им механохимических белков.
Другим важным достижением в исследовании молекулярных моторов явилась разработка новых биофизических методов регистрации подвижности белков, которые позволили непосредственно наблюдать за движением отдельных моторных белков и их фрагментов.