"Pasukimas ir užrakinimas": naujas raumenų susitraukimo modelis • Vera Bashmakova • Mokslinės naujienos apie "Elementus" • Molekulinė biologija, biofizika

„Pasukimas ir užrakinimas“: naujas raumenų susitraukimo modelis

Pav. 1. Klasikinė raumenų struktūra. Vaizdas iš ru.wikipedia.org

Beveik bet kokia nepakenčiama, visuotinai pripažinta teorija, kad moksleiviai stengiasi užkirsti kelią bisonui ir kurių dėstytojai ir net aukštųjų mokyklų dėstytojai varginamai ir panašiai pasakoja arčiau, nėra nei vienareikšmis, įdomus ir pilnas paslapčių. Pirmiau pateikta teorija taikoma visiško raumens susitraukimo teorijai. Apskritai, jis buvo sukurtas jau praėjusio amžiaus 50-ųjų, o klasikinis paveikslas (1 pav.) Su actinu ir miozino siūlais vis dar kyla iš vadovėlio į vadovėlį. Tačiau realus raumenų susitraukimo vaizdas yra kur kas sudėtingesnis, įdomiau ir nesuprantamas, su daugybe detalių ir netikėtų veikėjų bei sudėtingų vaidmenų, kuriuos šie žmonės žaidžia. Nauja ir nuostabi mokslo sritis Fizikos, matematikos ir biologijos sąsaja, studijuoja raumenų susitraukimo mechanizmus, kalbėjo jo paskaitas veikia su RVC, Fondas "dinastija" ir Rusijos federalinė turto fondas Žiemos mokyklos ateities Biotech daktaro fizinės ir matematinių mokslų Andrei Kimovich Tsaturyan ir paramos Biologinių mokslų daktaras, biologinio mobilumo laboratorijos Immunologijos ir fiziologijos instituto Uralo filialas Rusijos mokslų akademijos Sergejus Jurjevičius Bershitsky.

Elementinės tiesos

Pradėkime nuo pagrindų – iš tiesų, su klasikine raumenų susitraukimo teorija. Pagrindinis raumeninio audinio sutrumpinimas yra vadinamas sarcomeru. Sarcomerės kraštai – Z-diskai – susideda iš įvairių baltymų susipynusių sruogų. Aktino mikropluoštai tamponuoja prie vieno iš šių baltymų, kartu reguliuojantys baltymus troponinu ir tropomyozinu (2 pav.). Kitas baltymas, titinas, didžiausias iš šiuo metu žinomų baltymų, yra pritvirtintas prie gretimos Z-disko dalies ir tarnauja kaip ilga, ilga bazė, su kuria jungiasi miozino baltymų molekulės. Taigi, sarkomerą sudaro kietas plonas (susidedantis iš daugelio aktino molekulių ir reguliuojančių baltymų) ir storas (sudarytas iš daugelio miozino molekulių ir pagalbinių baltymų) sruogų.

Pav. 2 Actino mikropluoštai yra suvynioti su reguliuojamaisiais baltyrais – prie jo pridedamas tropomyozinas ir troponinas, susidedantis iš trijų skirtingų subvienetų. Kai raumens ląstelėse nėra kalcio jonų, tropomyozinas blokuoja miozino prisirišimo vietą prie actino. Tačiau, kai yra kalcio jonų, jie jungia troponiną, kuris keičia jo konformaciją ir nustoja tropomyoziną išsaugoti aktino gijose.Kaip rezultatas, actino vietos yra atviros rišimui, miozino galvos gali jas klijuoti, ir tampa įmanoma susitraukti raumenis. Vaizdas iš www.med4you.at

Ir čia prasideda kažkas įdomus. Pulsas, kuris artėja prie nervų ir raumens jungties, padidina ląstelių kalcio koncentraciją. Kalcis pridedamas prie reguliuojamų baltymų, kurie apvynioja actiną ir blokuoja jį nuo miozino, todėl šie baltymai keičiasi, o myozino, kurio sudėtyje yra ATP hidrolizės produktų, galva užsikibta prie aktino molekulės. Dėl įvairių sutrikimų (kurie išsamiau aprašyti žemiau), miozinas tvirtai laikosi actino ir keičia jo konformaciją, pasisukdamas uodegos link galvos ir išskleidžiant hidrolizės produktus. Tai įvyksta ant miozino galvų rinkinio ir lemia tai, kad aktino gija šiek tiek pasislenka lyginant su miozinu. Tuomet miozinas glaudžiai susilieja su actinu, jungiasi prie ATP, atsinaujina nuo actino ir pasireiškia atvirkščiais konformaciniais pokyčiais, tai yra, jis pasuko uodegą atgal (3 pav.).

Pav. 3 Raumenų susitraukimo schema (klasikinis Limna-Taylor ciklas)

Taigi, pasukdami galvas, miozino molekulės užtikrina raumenų funkcionavimą. Raumenų atsipalaidavimas atsitinka, kai impulsas nustoja eiti į raumenų ląsteles ir nustoja jame tekėti kalcio. Tada actinas ir miozino gyslos, atsiskyrusios viena nuo kitos, palaipsniui grįžta į pradinę padėtį (iš dalies dėl elastingų titinų molekulių savybių), o raumenys atpalaiduoja.

Pav. 4 Puikus diagrama, rodanti, kiek egzistuoja astronominis miozino variklių skaičius. Vaizdas iš www.motorprotein.de

Paprastai myosino gebėjimas judėti palei actino gijimą yra pernelyg patogus savybė, naudojama tik raumenims susitraukti. Todėl daugelis skirtingų miozino tipų (jie taip pat vadinami "myosininiais varikliais", jų filogenetinis medis yra parodytas 4 pav.) Yra naudojamas skirtingų tipų ląstelėse įvairioms skirtingoms funkcijoms: be raumenų susitraukimo pati, jie gali užtikrinti ląstelių transportavimą, perkelti transmembraninius baltymus ir tt 5).

Pav. 5 Čia pateikiamos funkcijos, kurias ląstelėje gali atlikti įvairūs miozino tipai.Jie gali traukti apkrovą palei actino gijų (šiuo atveju pūslelį), jie gali perkelti aktinį gijimą palyginti su kitu aktiniu gija arba palyginti su membrana, ir galiausiai gali sutrumpinti raumenis. Vaizdas iš skaidres į A.K. Tsuturyano paskaitą žiemos mokykloje

Skirtingi miozinai labai skiriasi viena nuo kitos struktūroje (6 pav.): Jie gali būti vienos arba dviejų galvų, su ilgomis arba trumpomis uodegomis; Tačiau pagrindinė funkcinė dalis – galva – turi beveik tokią pačią struktūrą visose miozino rūšyse. Tai reiškia, kad myosino veikimo principas visais atvejais yra vienodas, o detalės (pavyzdžiui, uodegos dydis) suteikia vieną ar kitą specializaciją.

Pav. 6 Tai yra skirtingi miozinai. Vaizdas iš skaidres į A.K. Tsuturyano paskaitą žiemos mokykloje

Myozinai nėra vieninteliai vario baltymai. Be jų, yra dar dvi klases variklių – dynein ir kinesinai. Skirtingai nuo myinosų, judančių palei actino gijų, dyneinai ir kinesinai veikia kartu su mikrotuvais, o dynei – tik vienoje kryptimi, o kinesinai – tik priešinga kryptimi.

Svirties hipotezė

Dabar atėjo laikas išsamiau sužinoti, kas atsitinka su miozinu raumenų susitraukimo metu.Pradėkime nuo šiuo metu priimtos teorijos, žinomos kaip "sverto hipotezė".

Pažiūrėkime mąsozės molekulę (o konkrečiau – labiausiai patogią miozino II tyrimą, 7 pav.). Akivaizdu, kad myosino galvutėje turi būti bent dvi svarbios vietos – viena, prijungta prie actino, o antrasis, į kurį patenka ATP. "Myosin" tyrėjai protingai vadino "aktinę" galvos "burną" ir "ATPny" – "kišenę". Ir pasipiktinimas, pasireiškiantis su miozinu, gali būti aprašytas gana grubus išraiška: "uždarykite burną ir laikykite savo kišenę platesnę".

Pav. 7 Miozino struktūra. Lengvos grandinės aplink uodegą atlieka reguliavimo vaidmenį sklandžiam raumenims ir ne raumenų miozinams. Vaizdas iš skaidres į A.K. Tsuturyano paskaitą žiemos mokykloje

Faktas yra tas, kad ATP kišenės atidarymas ir ATP įsiskverbimas į jį turi būti uždaryti aktino burną (tai yra, miozinas turi sėdėti ant actino): uždaroji burnos viršutinė žandikaulio uždanga uždels kišenę ir atsidaro. ATP telpa į platų kišenę.

Ir čia prasideda pati įdomiausia. ATP hidrolizė gali atsirasti tik uždaroje kišenėje, o kišenė turi būti uždaryta, burnoje turi atsidaryti – tai yra, miozinas turi nukristi nuo actino. Bet tai dar ne viskas.Siekiant užtikrinti hidrolizę, kišenės apačia turi būti šiek tiek išdėstyta, judama. Perjungiant, netoli kišenės sritys sukelia nedidelius pokyčius kaimyninėse srityse, o tai savo ruožtu sukelia sunkų miozino domeną, pavadintą "konverteriu", kuris turi būti perkeltas iš vienos stabilios padėties į kitą ir traukia miozino uodegą, atmetant jį 60 °. Gaidys įstrigo.

Dabar prasideda kitas veiksmas. Myozinas, turintis ADP ir fosfato pilką kišenę, privalo klijuoti prie actino ir uždaryti burną, nes jis negali išmesti fosfato kitaip (tai yra teoriškai jis atsikratys kada nors, bet labai greitai, todėl myosinas yra , nuo aktino priklausomos ATPazės). Miozinas iš pradžių silpnai susilieja su actinu per elektrostatines sąveikas, o tada prasideda burnos uždarymo procesas. Taip atsitinka taip. Konformacinių pokyčių dėka miozino galva atsiveria link aktino gijų taip, kad, pirma, jis sukuria labai didelį plotą (daugiau nei 18 nm2!), ir, antra, miozinas nedelsiant susimaišo su dviem aktino molekulėmis, naudojant hidrofobines ir elektrostatines sąveikas,dėl to myinozinis poveikis acinui yra tūkstantis kartų didesnis nei pirmojo junginio.

Taigi, myosinas išskiria fosfatą ir, glaudžiai prisilaikantis prie actino, pasireiškia atvirkščiais konformaciniais pokyčiais – jo uodegos "ūgliai" juda link galvos. Tai įvyksta nedelsiant dėl ​​miozino molekulių komplekto ir todėl sukelia aktino gijimo judėjimą miozino atžvilgiu, taigi ir raumens susitraukimui. Po to ADP išmesta iš kišenės. Myozinas išlieka susijęs su actinu; jo burna uždaryta – net užrakinta! – tvirtai ir tvirtai, o jei ląstelė yra mirusi ir visi jo ATP jau yra pasibaigę, tada šiuo liūdno momento pasakojimas pasibaigs, myozinas ir aktinas išliks amžinai įstrigę, užšaldytos būklės ir kūnas pradės griežtėti. Labiau optimistinis scenarijus, būdingas gyvam ląsteliui, turinčiam tvirtą ATP atsargą, rodo, kad nauja kibernetinė ATP molekulė (kuri, kaip mes prisimename, galva su uždara pakaba lieka platesnė), miozinas atsitraukia nuo actino, o ciklas kartojasi.

Roll ir užraktas: pasukite ir užrakinkite

Pagal sverto hipotezę, raumenų susitraukimo metu jėgos susidarymas yra tik vienas momentas – kai pasukama miozino uodega (svirtis).Tačiau kai kurie rentgenografijos ir raumenų tomografijos duomenys nėra tokie nesuderinami su šia teorija, tačiau rodo, kad smegenų hipotezė nepaaiškina dar keleto nesuprantamo raumenų susitraukimo taško. Todėl A.K. Tsaturyana vadovaujama mokslininkų grupė pasiūlė raumenų susitraukimo teoriją, vadinamą "Roll and lock" – "Turn and lock" (žr. Michael A. Ferenczi ir kt., 2005 m. "Roll and Lock" jėgos mechanizmas Generacija raumenyse). Remiantis šia teorija, miozino galvos sėdėjo ant actino prieš ATP hidrolizę, ir jie nesėdėtų harmoningai ir organizuotai, bet kaip ir baisi. Myozino galva, "zondas", kuri "išmeta" tinkamą (rūgščią ir neigiamą krūvį) actino gijų dalį, yra ilgi išsikišusio domeno ir prilimpa prie jo – kaip reikalaujama, pirmajame kampe. Tačiau, kai atsiranda ATP hidrolizė, kai miozinas keičia savo konformaciją, galvos pasislenka tiesiu kampu ir tvirtai ir aiškiai, kaip klavišas su užraktu, susieja su aktino sriegiu, o fosfatas išskiriamas iš myosino kišenės. Ir tik po to yra svirties pasukimas. Kitaip tariant, modelis pasirodo esąs dviejų pakopų – pirmojoje stadijoje miozino galva tvirtai ir aiškiai sutraukia aktiną ir šiek tiek pasisuka, o antroje – svirtis pasisuka ir jėga, kuri veda prie raumenų judėjimo,abiejuose etapuose.

Be rentgeno spindulių ir tomografinių duomenų, kurie labai gerai sutampa su "Roll and lock" teorija, yra keletas netiesioginių, bet labai gražių tinkamumo įrodymų. Pavyzdžiui, žinoma, kad raumenų susitraukimo metu, jei raumenys nekeičia jo ilgio, šiek tiek daugiau kaip 40% myosino galvų sėdo ant actino, o likusi dalis nėra nieko prijungta. Tačiau, kai išspausti raumenys yra priverstinai ištemptas (pavyzdžiui, tai atsitinka, važiuojant, kai žmogus nusileidžia į įtemptą raumenį) raumens kietumas žymiai padidėja dėl to, kad beveik visos laisvos miozino galvos yra stipriai susietos su actino siūlu. Tačiau, vertinant rentgeno spindulių duomenimis, jie "nesugrupuoja", kaip raktas su užraktu, tačiau panašiai kaip "hit". Tai galima paaiškinti tik teorijos "Roll and lock" pagalba. ATP hidrolizė, kai raumenys yra ištempiami (tai suprantama: koks yra ATP iššvaistymo tikslas, jei darbas nėra atliktas raumenysir per raumenis), o visos miozino galvos pereina į "aktyvaus aktino paieškos" būseną – jų išsikišęs zondas ieško actino sriegio, pritraukia jį į tinkamą vietą ir užsiima juo – ne tvirtai, ne kaip raktą su spyna, bet kaip baisu taiTačiau, siekiant padidinti raumenų standumą (ir taip apsaugoti kaulus nuo lūžio), tai yra pakankamai.

Rezultatas

Hipotezė "Roll and lock" paaiškina sverto hipotezę. Tai geriau sutinkama su eksperimentiniais duomenimis ir išsamiau apibūdina raumens susitraukimą. Tačiau visiškai galima sakyti, kad šią teoriją taip pat galima tobulinti ir išplėsti – tačiau kokiu būdu mes vis dar nežinome. Daugelį metų intensyviai ir kruopščiai ištyrus raumenų susitraukimą išlieka daugiausia neišspręsta paslaptis.

Vaizdo iliustracijos:
1) Vaizdo siužetai 1. Vaizdo siužetinės hipotezės iliustracija. Myosinas laikosi actino gijose, laikosi prie jo, pasuko uodegą, tada atsitraukia ir grąžina uodegą į savo ankstesnę padėtį. Kennetho Holmso vaizdo įrašas.
2) Vaizdo įrašas 2. "Roll and lock" hipotezės vaizdo iliustracija. Myosinas pirmiausia ieško tinkamos padėties actino gijų, tada silpnai sujungia su juo, tada glaudžiai sujungia – visa galva pasisuka ir plėtoja tam tikras pastangas, ir tik tada uodega virsta. Vaizdo įrašas Mary Reedy.

Šaltiniai:
1) A.K. Tsuturyano ir S. Y. Bershitsky paskaitos A. Futbio technologijos žiemos mokykloje.
2) N. A. Кубасова, A. K. Цатурян.Aktin-myozino variklio molekulinis mechanizmas raumenyje (PDF, 5,7 Mb) // Būsenos biologinės chemijos pažanga. 2011. T. 51. P. 233-282 – yra gana nauja, labai išsami ir gerai parašyta rusų kalbos apžvalga šia tema, yra laisvai prieinama.
3) K. Bagshaw. Raumenų susitraukimai // M .: Mir. 1985 m.
4) N. B. Гусев. Molekuliniai raumenų susitraukimo mechanizmai (PDF, 321 Kb) // Soros Educational Journal, tomas 6, Nr. 8, 2000, p. 24-32.
5) A. N. Тихонов. Molekuliniai varikliai. 2 dalis. Molekulinė biologinio mobilumo pagrindas (PDF, 852 Kb) // Soros Educational Journal, p. 18-24, 1999.

Vera Bashmakova


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: