ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ДВИЖЕНИЕ ЖГУТИКОВ И РЕСНИЧЕК

Обратимся к другим биологическим механохимическим си­стемам, ответственным за движения клеток и внутриклеточ­ных органоидов. Краткий перечень таких систем приведен на стр. 218.

Множество одноклеточных организмов — бактерий и простей­ших— перемещается в жидкой среде, совершая, тем самым, ра­боту в результате движения специальных сократительных си­стем— жгутиков и ресничек. Реснички функционируют и в ряде органов многоклеточных. Так, гребневики регулируют ориента­цию своих тел согласованными движениями ресничек; реснички
создают ток жидкости в жабрах двустворчатых моллюсков, в трахеях человека и т. д.

Жгутики выполняют волнообразное движение, распростра­няющееся вдоль жгутика от его основания к концу. Типы таких движений показаны схематически на рис. 5.28 ([159], см. также [160]).

Клетка может двигаться вперед или назад, вбок или по кругу. Движение ресничек сводится к колебаниям в одной пло­скости, вызывающим пе­ремещение клетки или ток жидкости, если рес - нички принадлежат не­которой эпителиальной ткани. Схема движения ресничек показана на рис. 5.29.

Устройство жгутиков и ресничек весьма сход­но. Они представляют

Г \\

Рис. 5.28. Различные типы движения жгу - Рис. 5.29. Схема движения тика Мопаз. Стрелки указывают направле - реснички,

Ние движения клетки.

Собой вытянутые образования, длина которых варьирует от нескольких микрон до нескольких миллиметров, а диаметр меняется мало — в пределах от 0,1 до 0,5 мкм. Электронная микроскопия показала, что жгутик построен из девяти пе­риферических и двух центральных фибрилл. На рис. 5.30 пока­зана схема поперечных срезов жгутиков, основанная на элек­тронной микрофотографии, а на рис. 5.31—схема их строения [161]. Структуры типа «9 + 2» характерны для ряда биологиче­ских систем, имеющих вытянутое, фибриллярное строение.

Диаметр центральных фибрилл жгутика примерно равен 240 А, расстояние между их центрами 300 А Поперечные раз­меры каждого из девяти дублетов — периферических фиб­рилл — 370 X 250 А Дублет состоит из двух субфибрилл А и В, от субфибриллы А отходят два отростка — «ручки» длиной 150
и толщиной 50 А [161, 162]. Установлено, что фибриллы пред­ставляют собой полые цилиндры, стенки которых состоят из десяти протофибрилл с диаметром 35 А и продольной периодич­ностью 80 А [163]. Вторичные фибриллы соединяют перифери­ческие фибриллы с центральной.

Физические проблемы, относящиеся к движению жгутика, можно четко сформулировать. Необходимо установить тонкую структуру фибриллярной системы, ее молекулярное строение и

Рис. 5.30. Схема поперечных срезов Рис. 5.31. Схема строения по.

Є 5

Жгутиков на основании электронной микроскопии.

Перечного среза жгутика. 1 — периферическая фибрилла,

2—субфибрилла А, 3—субфибрил­ла Б, 4—«ручки», 5—центральная фибрилла, 6—вторичная фибрилла.

Исследовать механику и гидродинамику специфического волно­образного движения жгутика (или реснички).

Белки жгутиков и ресничек пока недостаточно охарактери­зованы. Установлена их АТФ-азная активность, показано, что и форма и частота волн зависят от концентрации АТФ. Белки являются сократительными, но их строение отличается от строе­ния миозина или актина. Из жгутиков бактерий выделен белок флагеллин, имеющий специфический аминокислотный состав.

Качественная молекулярная модель движения жгутиков предложена в работе Сильвестра и Холвилла [164], Ранее способ распространения локальных сокращений вдоль фибриллы был рассмотрен Мэйчином [165]. Сократительная единица перифери­ческой фибриллы активируется пассивно распространяющейся волной, приходящей из соседней области жгутика. Надо понять, как химические события, вызывающие локальное сокращение, синхронизуются с механическим изгибанием. Мэйчин предпола­гал, что такая синхронизация возникает вследствие нелинейной связи между напряжением и деформацией сократительного эле­мента. Брокау также считает, что химические события иниции­руются механической волной [166].

В работе [164] предполагается, что сократительная единица находится в метастабильном состоянии до того, как ее достиг пик сократительной волны. Приходящая волна меняет стериче - ское и электростатическое окружение единицы, которая перехо­дит в другое конформационное состояние и сокращается. В каж­дой единице происходит расщепление АТФ. Количественная оценка, основанная на биохимических данных, показывает, что в жгутике активируются 105—106 сократительных единиц в 1 с. Если они упакованы во внешних фибриллах, то расстояние ме­жду ними порядка 100 А. Скорость распространения волны

N-k ТФ

Рис. 5.32. Схема циклического Рнс. 5.33. Сдвиг и изгиб двухнитевой

АТФ

Процесса в жгутике. И—нормальное состояние, S—со­кращенное состояние; 1 — механиче­ская стимуляция, 2 — сокращение, 3— релаксация.

Модели жгутика.

Вдоль жгутика около 250 мкм/с, соответственно скорость стиму­ляции последовательных единиц есть 2,5-104 единиц в 1 с. После сокращения единица поддерживает напряжение вплоть до ре­лаксации. На этой стадии происходит рефосфорилирование АДФ. Когда единица вновь имеет связанную АТФ, она готова опять принять участие в цикле. Следовательно, частота колебаний уп­равляется скоростью замещения АТФ. Общая схема процесса показана на рис. 5.32 [164].

Другая точка зрения аргументируется в работе Рикменспоэла [167]. Расчет изгибающих моментов в жгутиках показывает, что активное сократительное событие сводится не к бегущей, а к стоячей волне. Изгибающий момент развивается по всей длине жгутика. Поэтому нет нужды в механизме, синхронизующем волну смещения и сократительные события.

Результаты расчетов согласуются со скользящей моделью сократительного движения жгутика. «Ручки», выступающие из субфибрилл А (см. рис. 5.31) и содержащие белок динеин, функционируют подобно мостикам в актомиозиновой системе мышцы. Были получены прямые электронно-микроскопические доказательства скольжения субфибрилл в жгутиках и ресничках [160, 168—170].

Изгибание жгутика можно объяснить механизмом скольже­ния, создающим сдвиг. На рис. 5.33 изображена простая двух - нитевая модель жгутика [160, 171]. Если длины нитей, отстоящих друг от друга на р, не меняются, соотношение между сдвигом и изгибом есть

Du dQ,,

17 = Р^Г = РК> <5Л34>

Где и — сдвиг, s—координата вдоль жгутика, 0 — угол изгиба, к — кривизна жгутика. Вводя безразмерный параметр сдвига, находим

(5.135)

Расчет дает линейное напряжение, равное 7-10-2 дин/см.

Если пары молекул динеина отстоят друг от друга на 170 А [172], то сила на одну его молекулу, т. е. на один мостик, равна 0,6-Ю-7 дин [167]. Это на порядок меньше величины f0 для мышцы (см. стр. 250). За один период изгибания скольжение происходит на пути 800 А [173]. Работа, совершаемая одной мо­лекулой динеина, равна 5-Ю-13 эрг (ср. с 4,6-10~15 эрг для мышцы, стр. 250). Эта величина согласуется со значением сво­бодной энергии расщепления АТФ [174].

Таким образом, скользящая модель жгутика представляется более привлекательной, чем модель локального сокращения [160]. Ясно, что модель должна содержать некие контрольные механизмы, генерирующие ритмический цикл изгибания. Как уже сказано, такой механизм может определяться нелинейностью системы, наличием обратной связи (см. [165]). Иными словами, скорость изгибания контролируется кривизной.

Общее выражение для распространения волны изгиба вдоль s есть периодическая функция s — Vt, где V скорость распро­странения волны. Следовательно,

DK у dK

Dt вв ds "

Механизм скольжения автоматически создает разность фаз ме­ждусдвигом и кривизной, независимо от частоты колебаний [160J.

Однако этот механизм контроля не полон, так как он не учи­тывает вязкого сопротивления изгибу. В соответствии с идеями Мэйчина можно предположить, что кривизной контролируется не скорость нзгибання, но момент силы [160]

- = - m = mDic'f (5.137)

Где т — момент, генерируемый на единицу длины жгутнка, т0 — константа. Если к' — синусоидальная функция длины, то из (5.137) следует, что AfaKT(s)— также синусоидальная функция, но смещенная на четверть периода относительно к'.

В работе [175] (см. также [160]) с помощью компьютера было исследовано движение моделей, содержащих от 25 до 35 прямых сегментов, шарннрно соединенных друг с другом. Математиче­ская модель основывалась на модели скольжения. Оказалось, что достаточно включить в модель два основных предположе­ния, а именно, существование изгибающего момента, генерируе­мого активным процессом скольжения вдоль жгутика, н пропор­циональность масштаба этого активного процесса локальной кривизне жгутнка. Тогда действительно объясняются и инициа­ция и распространение изгиба. Варьируя параметры модели, можно получить различные волновые картины, в том числе все картины, наблюдаемые на опыте.

Имеется ряд данных, показывающих, что н внешние факторы могут влиять на движение жгутнка (см. [160]). Здесь требуются дальнейшие теоретические н экспериментальные исследования.

В работе [176] рассчитана скорость распространения волны н расход мощности на преодоление вязкого сопротивления неод­нородно колеблющихся жгутиков. В работе [177] проведен ана­лиз гипотетических форм волнового движения жгутиков — сину­соидальных, меандровых н круговых дуг, соединенных прямыми линиями. Наконец, в работе [178] теоретически рассмотрено дви­жение микроорганизмов, создаваемое трехмерным волновым движением жгутиков.

Ясно, что движение жгутиков и ресничек ставит перед физи­кой ряд еще не решенных проблем. Очень мало известно о де­тальных молекулярных механизмах, ответственных за активное скольжение н его контроль.

Как и в случае мышцы, ничего неизвестно о локализации и характере конформационных превращений в белках жгутика, бо­лее того, сами этн белки не охарактеризованы. Установлена лишь АТФ-азная нх активность. В связи с этим необходимо ука­зать на работу Энгельгардта н Бурнашевой, выделивших из сперматозоидов сократительный АТФ-азный белок, названный имн спермазином [179]. Дальнейшие подробности, относящиеся к сократительным белкам жгутиков и ресничек, приведены в мо­нографии Поглазова [180].

Очень важно, конечно, что установлены определенные черты сходства между движением жгутиков и мышечным сокращением. Различные типы внутренней и внешней регуляции движения еще не изучены, и изложенные в этом параграфе теоретические мо­дели и представления имеют феноменологический характер.