Глава 2.2. Биохимический цикл мышечного сокращения

Мышечное сокращение состоит из циклического присоединения и отсоединения глобулярной «головки» миозина от нити F-актина, при этом актиновые и миозиновые нити скользят относительно друг друга. Энергия для такого скольжения поставляется засчет гидролиза АТР. F-актин, ассоциированный с миозином, резко ускоряет выве- дение продуктов гидролиза АТР (АDР и неорганический фосфат) и АТР-азную активность миозина.

Как уже упоминалось, глобулярная головка миозина (или фрагмент S1) является моторным фрагментом миозина, непосредственно взаимодействующим с тонкой актиновой нитью. Фрагмент S1 включает в себя каталитический центр, с которым связывается молекула АТР и где происходит ее гидролиз до ADР и Р_i. При гидролизе АТР выделяется энергия, за счет которой работает миозин. Согласно данным рентгеноструктурного анализа (рис. 2.12), фрагмент S1 представляет собой глобулу размером 16,5 х 6,5 х 4 нм, состоящую из трех доменов с двумя функционально важными участками: местом посадки АТР и выступающим наружу участком полипептидной цепи, который непосредственно взаимодействует с актином (домен 2). Вращательная подвижность головки миозина обеспечивается за счет своеобразных шарниров – гибких участков полипептидной цепи.

Рис. 2.12. Структура головки миозина согласно рентгеноструктурным данным (согласно [12])

Один из них находится в месте соединения фрагментов S1 и S2, другой расположен между фрагментом S2 и хвостом миозина (см. рис. 2.8). Наличие молекулярных шарниров дает возможность фрагменту S1 присоединяться и отсоединяться от нити актина, а также изменять свою ориентацию в ходе сократительного цикла (рис. 2.13). Функционально важным звеном молекулы миозина является ее регуляторный участок (домен 3 на рис. 2.12), расположенный в области шейки, соединяющей каталитическую головку с хвостом молекулы миозина. Шейка образована участком a-спирали тяжелой цепи миозина длиной 8–9 нм, окруженным двумя легкими полипептидными цепями (А1 и LC₂). Шейка, по сути, является рычагом, через который структурные изменения в каталитическом центре передаются хвостовой части молекулы миозина. Легкие цепи придают этому рычагу необходимую жесткость и выполняют важную роль в регуляции каталитической активности миозина.

Рис. 2.13. Схема изменения положения головки миозина (S1) относительно тонкой нити в ходе структурных перестроек актомиозинового комплекса, которые приводят к возникновению силы, тянущей хвост миозина (согласно [2])

Молекулы миозина и актина, взаимодействуя друг с другом, образуют актомиозиновый комплекс, в котором и происходит сокращение мышцы. В покоящейся мышце миозиновые мостики не проявляют АТР-азной активности, так как тропомиозин и белки тропонинового комплекса (см. рис. 2.7) 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 АТP, перекачивает Са²⁺ из цитоплазмы в специальные цистерны. Под действием нервного импульса ионы Са²⁺ выходят из кальциевых цистерн и связываются с тропонином C, это приводит к структурным изменениям остальных белков тропонинового комплекса. В итоге изменяется положение тропомиозина относительно нити F-актина, и теперь головка миозина может связаться с актином. Тянущая сила, вызывающая смещение миозина вдоль нитей актина, возникает за счет структурных изменений в каталитическом центре миозина после гидролиза молекулы АТР. 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 (см. рис. 2.13). После гидролиза АТР и диссоциации Р_i и 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. Так возникает сила, вызывающая скольжение толстых нитей миозина вдоль нитей актина.

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 (см. рис. 2.13). Интересно, что у молекул миозина, принадлежащих различным классам, амплитуда смещения хвоста за один рабочий шаг может заметно отличаться, так как длина рычага у разных форм миозина не одинакова.

Таким образом, биохимический цикл сокращения мышцы согласно механизму скольжения нитей включает несколько последовательных стадий:

1. В отсутствие АТР, т. е. в исходном состоянии, головки молекул миозина прочно связаны с актиновыми нитями. При связывании АТР головки от них отделяются.

2. АТР-аза головок миозина гидролизует АТР на АDP и неорганический фосфат, но продолжает удерживать оба продукта реакции близко друг от друга. Гидролиз АТР вызывает аллостерические изменения в миозиновой головке.

3. Теперь головка миозина образует новый мостик с соседней молекулой актина.

4. Актин ускоряет выброс продуктов АТР-азной реакции из активного центра миозина. Это приводит к преобразованию аллостерического напряжения и изменению конформации головки миозина, которое действует подобно «удару весла» (модель весельной лодки). Во время этого «гребка» миозиновые головки отклоняются на определенный угол от оси и перемещают миозиновый филамент вдоль актинового филамента по направлению к Z-диску. Цикл повторяется до тех пор, пока имеется АТР.

Каждый «гребок» 500 миозиновых головок толстого филамента вызывает смещение на 10 нм. Во время сильных сокращений частота «гребков» составляет примерно 5 раз в секунду. При каждом цикле гидролиза АТР головки миозина взаимодействуют с новыми молекулами актина, за счет чего и происходит взаимное скольжение миозиновых и актиновых филаментов, т. е. сокращение мышцы.

Сокращение и расслабление мышцы можно представить следующей последовательностью: стимул ® возникновение потенциала действия ® электромеханическое сопряжение (проведение возбуждения по Т-трубочкам, высвобождение Са²⁺ и воздействие его на систему тропонин-тропомиозин-актин) ® образование поперечных мостиков и «скольжение» актиновых нитей вдоль миозиновых ® сокращение миофибрилл ® снижение концентрации ионов Са²⁺ вследствие работы кальциевого насоса ® пространственное изменение белков сократительной системы ® расслабление миофибрилл.

После смерти мышцы остаются напряженными, наступает так называемое трупное окоченение. При этом поперечные связи между филаментами актина и миозина сохраняются и не могут разорваться по причине снижения уровня АТР и невозможности активного транспорта Са²⁺ в саркоплазматический ретикулум.