ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

СТРУКТУРА МЫШЦЫ И МЫШЕЧНЫХ БЕЛКОВ

Позвоночные животные имеют три вида мышц — гладкие мышцы в стенках полых органов, поперечно-полосатые мышцы сердца и поперечно-полосатые скелетные мышцы. Последующее изложение относится преимущественно к последнему виду мышц.

Мышцы имеют волокнистое строение. Под обычным микро­скопом без труда наблюдается поперечно-полосатая структура мышечных волокон. Отдельное мышечное волокно имеет диаметр 0,02—0,08 мм. Оно окружено-мембраной, толщина которой около 100 А. Волокно состоит из 1000—2000 более тонких волокон — миофибрилл диаметром 1—2 мкм. Фибриллы имеют оболочку, образованную трубочками и пузырьками саркоплазм этического ретикулума, о роли которых сказано дальше. Мышца содержит также митохондрии, расположенные между фибриллами. Микро­скопическое строение миофибриллы показано на рис. 5.4. Мио - фибрилла в свою очередь состоит из ряда белковых нитей — толстых и тонких. Симметрия их расположения в поперечном сечении гексагональна (рис. 5.5). На рис. 5.6 показано продоль­ное сечение миофибриллы, а на рис. 5.7 — ее схематическое строение. Черные линии на рис. 5.6 (они отчетливо видны и на рис. 5.4) — это так называемые Z-линии (Z-диски, имеющие вид линий в продольном сечении). Участок миофибриллы между двумя Z-линиями называется саркомером. Он разделяется на несколько зон, хорошо наблюдаемых с помощью фазово-конт- растной микроскопии. Центральная А-полоса анизотропна и обладает двойным лучепреломлением. К ней примыкают с двух сторон изотропные I-полосы. При растяжении покоящейся мыш­цы в середине А-полосы появляется зона Н меньшей плотности. Эти детали структуры изображены схематически на рис. 5.6 и 5.7.

Электронно-микроскопические исследования, проведенные Хаксли и Хансон [16, 17], позволили установить расположение толстых и тонких белковых нитей в саркомере (см. рис. 5.5 и 5.7). Толстые нити образованы белком миозином, тонкие — в основном белком актином, Каждая толстая нить состоит из
180—360 продольно ориентированных молекул миозина, ответ­ственных за анизотропию плотной А-полосы. Менее плотная

Рис. 5.4. Электронная микрофотография миофнбриллы мышцы лягушки.

I-полоса образована тонкими нитями актина, молекулы кото­рого представляют собой двойные спирали (F-форма актина),

Возникшие в результате полиме­ризации глобулярного G-актина. В саркомере число G-глобул рав­но примерно 800 на одну тонкую нить. Тонкие нити F-актина проходят через Z-диски.

У высших позвоночных мо­лярное отношение актина к мио­зину примерно равно 4:1, весо­вое отношение — 1:2.

О О о о О О о о О о о о о О о о О о

О о о О о о О о о О о о О о J О о о О о о

Г о о о о о

Рис. 5.5. Схема участка попереч ного сечения миофнбриллы.

I—толстые нити, 2—тонкие.

Актиновая нить представляет собой двойную спираль с G-субъ- единицами, повторяющимися че­рез 54,6 А вдоль каждой из двух цепей с расстоянием между точ­ками их пересечения 340—420 А [18,19]. Диаметр двойной спирали актина составляет 60—80 А. Толстые нити миозина
имеют диаметр 140 А. Из миозиновой нити выступают «голов­ки», расположенные на нити в виде спирали 6/2. На дан­ном уровне два выступа нахо­дятся напротив друг друга. Следующие два выступа нахо­дятся на расстоянии 143 А и повернуты относительно пер­вой пары на 122°. Структура как целое повторяется с перио­дом З X 143 = 429 А [18, 19].

Миозин представляет со­бой фибриллярный белок — он состоит из молекул длиною

Н

TOC \o "1-3" \h \z Z ■ Z

Z Z

1 у/уу/уууу, ууу/ууууу/ууууууууа

Г (■ ■ ...>

У////.у у.:у, у, уу, уу, м.у/а

Рис. 5.6. Схема продольного сечения Рис. 5.7. Схема строения сарко - миофибриллы при трех разных ее мера,

длинах.

1500 А и диаметром около 20 А. Утолщенный конец молекулы («головка») имеет длину около 200 А и ширину около 40 А. На

Рус. 5.8. Электронные микрофотографии молекул миозина при увеличе­нии 175 000, полученные Такахаши.

Рис. 5.8 показаны электронные микрофотографии миозина [20]. Подробное электронно-микроскопическое исследование миозина
привело к результатам, показанным на рис. 5.9 [21]. Моле­кула построена из фрагментов, отвечающих фракциям, по­лучаемым при гидролизе трипсином, а именно, из легкого ме-

ТММ S-2

ТММ S-1 (КОООО)

370А

МММ (150000)

930А

Рис. 5.9. Схема строения молекулы мио­зина.

Указаны продольные размеры фрагментов и их молекулярные веса.

Ромиазина (ЛММ) и тяже-

Лого меромиозина (ТММ), имеющего два фрагмента S-1 и S-2. Молекулярные веса и продольные размеры этих фрагментов указаны на рис. 5.9. Длинная прямая часть молекулы является двойной суперспиралью. Об­щий молекулярный вес мио­зина составляет около 5-Ю5, степень а-спиральности велика (примерно 58%). Миозин со- держитПЯэльшое "число кислотных и основных аминокислотных остатков.

При образовании толстой нити молекулы миозина агреги­руют, по-видимому, в результате электростатических взимодей-

Ствий между их ЛММ-«хво-

Стами». Схема агрегации показана на рис. 5.10. «Го­ловки», выступающие из толстой нити, образованы фрагментами S-1 тяжелого меромиозина. Детальная мо­дель структуры миозиновой нити предложена в работах [22, 23].

Сфероидальные мономе­ры G-актина имеют диа­метр около 55 А и молеку­лярный вес 46 000—47 ООО. Степень а-спиральности около 30%. Полимеризация G-актина в F-актин проис­ходит с участием АТФ

Рис. 5.10.

Схема агрегации молекул миозина.

N(G-актин— АТФ) F-актин — «АДФ - f пФн.

Полимеризация в растворе идет в присутствии солей, в частно­сти, для этого требуются ионы Mg++. Скорость дефосфорилиро - вания АТФ зависит от начальной концентрации G-актина и рас­тет пропорционально ее третьей или четвертой степени [24]. Количественная теория кооперативной спиральной агрегации актина предложена в работе [25].

В тонких нитях наряду с актином содержатся в меньших ко­личествах другие белки — тропомиозин и тропонин. Тропомио - зин имеет молекулярный вес около 70 000 и состоит из длинных молекул — длина их около 450 А, а отношение длинной и корот­кой осей эффективного эллипсоида превышает 20. Степень а-спиральности тропомиозина около 90%. Тропонин — глобу­лярный белок, состоящий из трех компо­нентов с молекулярными весами 37 000, 23 000 и 19 000.

Тонкая нить представляет собой ком­плекс актина с тропомиозином и тропо - нином. Как уже сказано, сферы G-акти­на объединены в двойную спираль. Со­гласно схеме, предложенной Эбаши [26], длинные молекулы тропомиозина распо­лагаются вдоль каждой борозды двой­ной спирали, глобула тропонина поме­щается вблизи молекулы тропомиозина (рис. 5.11) [26].

Пока что мы располагаем скудными сведениями о других белках миофиб - рилл — об а - и $-актинине и М-белке. Их молекулярные веса равны соответствен­но 100 000, 70 000 .и 155 000. Наряду с тропомиозином и тропонином эти белки играют, по-видимому, регуляторную роль [27]. Дальнейшие подробности, от­носящиеся к химическим и физико-хи­мическим свойствам мышечных белков, приведены в монографиях [20, 28, 29].

В работах Вазиной и соавторов [106—109] установлено, что сократительные белки мышцы, а также актин из плазмодия миксомицета и флагеллин из жгутиков бактерий образуют в растворе жидкие кристаллы. Такие системы дают при рент­генографическом исследовании прекрасные дифракционные кар­тины с двумя типами рефлексов, обусловленных соответственно структурой фибрилл и их упаковкой. Жидко-кристаллические структуры анизотропны, они способны к полиморфным превра­щениям, т. е. в них возможны фазовые переходы. Выше были рассмотрены жидко-кристаллические свойства биологических мембран (§ 3.9). Эти свойства в значительной степени опреде­ляют биологическую функциональность мембран. Есть основания Думать, что жидко-кристаллические свойства сократительных белков существенны для сокращения. мышцы.

Рис. 5.11. Схема строе­ния тонкой нити.

Световая и электронная микроскопия позволила установить основные структурные особенности мышечного сокращения.

При сокращении (укорочении) мышцы происходит сужение 1-полос без изменения протяженности А-полосы. Z-диски дви­жутся навстречу друг другу. В конечном счете I-полосы исче­зают вовсе, а в центре саркомера появляется уплотнение. Объем саркомера при укорочении меняется мало, следовательно, он становится толще.

Мостики

Очевидно, вещество А-полосы более жестко, чем вещество 1-полос. Наблюдаемые изменения оптической плотности можно

І Р'^Г"»^*^

Рис. 5.12. Скользящая модель.

Z Ж*Ж

Ф

А — нормальное строение волокна, б—растянутое волокно, в—сильно укороченное волокно. Справа — поперечное сеченне.

Объяснить только, предположив, Что в укорачивающемся сарко - мере происходит перемещение вещества. Электронная микро­скопия действительно показывает, что при укорочении толстые нити вдвигаются между тонкими и саркомер укорачивается подобно подзорной трубе. Это — скользящая модель мышцы, развитая X. Хаксли (см. [28]).

Взаимодействие толстых и тонких нитей происходит посред­ством «головок» миозина, образующих мостики, соединяющие нити. Мостики, таким образом, состоят из ТММ. В нормальном физиологическом состоянии мышцы перекрывание между тол­стыми и тонкими нитями таково, что могут образоваться все возможные мостики (рис. 5.12, а); при сильном растяжении этого уже нет (рис. 5.12,6). При больших укорочениях, по - видимому, происходит деформация тонких нитей (рис. 5.12, в).

Миозин ответствен за анизотропию А-полосы: в 1-полосах миозина нет и, следовательно, тонкие нити сами по себе анизо­тропии не создают.

В скользящей модели каждый мостик работает циклически. Мостик толкает или тянет актин к центру А-полосы на рас­стояние порядка 50—100 А, затем он отщепляется от актина и присоединяется к актину вновь в другой его точке, находив­шейся вначале на большем удалении от центра А-полосы. Да­лее цикл повторяется. Непрерывное движение актиновых нитей происходит в результате асинхронного действия мостиков [30]. Этот механизм требует структурной полярности в расположе­нии сократительных белков в толстых и тонких нитях. Дей­ствительно, все молекулы миозина ориентированы в одну сто­рону в одной половине толстой нити и в другую — во второй половине [31]. Найдено также, что все мономеры актина, лежа­щие вдоль двойной спирали, имеют одинаковую полярность, а полярности тонких нитей, выходящих из Z-мембраны в разные стороны, противоположны [31]. ""

Изучение мышечных волокон методом рассеяния рентгено­вых лучей под малыми углами полностью подтверждает резуль­таты электронно-микроскопических исследований и существенно их дополняет [18, 32, 33]. Поскольку объем саркомера при уко­рочении не меняется, можно было ожидать, что расстояния между нитями будут обратно пропорциональны корню квадрат­ному из длины саркомера. Измерения экваториальных рентге­новских рефлексов дают линейную зависимость между этими ве­личинами, что свидетельствует об эффективном «удлинении» мостиков при укорочении мышцы, т. е. о гибкости «головок» ТММ. С другой стороны, дифракция рентгеновых лучей под малыми углами подтверждает неизменность длины самих тол­стых и тонких нитей.

В работе [34] методом рентгенографии показано, что при сокращении мышцы происходит радиальное перемещение мос­тиков.

Толкающее или тянущее усилие, развиваемое мостиком, мо­жет быть лишь результатом конформационного превращения. Такое превращение может выражаться либо в активном изме­нении угла, под которым «головка» ТММ присоединена к тон­кой нити, либо в изменении ее формы. Опыт показывает, что связь мостиков с толстыми нитями гибкая, а их связь с тонкими нитями весьма жестка [18, 31]. На рис. 5.13 показана схема из­менения угла, под которым мостик присоединен к тонкой нити в последовательные моменты времени [30].

При окоченении мышцы (rigor) возникают жесткие и непо­движные связи между мостиками и тонкими нитями. Спиральная

Периодичность нарушается, период 429 А исчезает и заме­няется слоевыми линиями, отвечающими 360—380 А. Вместе с тем период 143 А сохраняется. Эти явления также можно

Объяснить изменениями в рас­положении мостиков при со­хранении структуры толстой нити.

Описанная структурная картина, находящаяся в пол­ном согласии со скользящей моделью, может считаться на­дежно установленной. Физиче­ская теория мышечного сокра­щения должна основываться на скользящей модели как на опытном факте. Одновременно теория, задачей которой явля­ется молекулярное истолкова­ние особенностей мышечного сокращения, должна наряду со структурными данными учиты­вать и объяснять результаты биохимических и биофизических (физиологических) экспери­ментальных исследований. Структурные, биохимические и био­физические исследования — три источника информации о строе­нии и функции мышц.