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
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.