Свойства и структурная организация сократительных белков

Как уже говорилось, основным сократительным белком мышц является миозин. Это фибриллярный белок с молекулярной массой около 470000, извлекаемый из мышечной ткани (после отделения саркоплазматических белков) быстрой экстракцией холодным ще­лочным раствором 0,6 М КС1. Молекула миозина вследствие зна­чительного содержания глютаминовой кислоты имеет довольно большой отрицательный заряд и обладает специфической способ­ностью взаимодействовать с ионами Са²⁺ и Мg²⁺. В присутствии ионов Са⁺⁺ миозин проявляет аденозинтрифосфатную активность, то есть ферментативную способность ускорять гидролиз АТФ по уравнению:

АТФ + Н_аО ---à АДФ + Н₃РО₄ + энергия {40 кДж/моль)

С помощью ионов Мg⁺⁺ миозин способен связывать молекулы АТФ и АДФ, а также образовывать комплекс с актином.

Молекула миозина длинная (160 нм) и тонкая (2 нм), с утол­щением на одном конце — головкой (4 нм). Миозин содержит две одинаковые полипептидные цепи - самые длинные из всех из­вестных. Каждая из них построена из 1800 аминокислотных остат­ков. Обе цепи имеют конфигурацию α-спирали и закручены отно­сительно друг друга в двойную спираль, расходящуюся на одном конце молекулы (рис.). Под действием протеолитических фер­ментов эта молекула может распадаться на две части: “головку” и “хвост”. “Головка” называется тяжелым (Н) меромиозином, и α-спирализованные участки ее образуют глобулярные структуры, в которых имеются две разновидности сульфгидрильных (SH) групп. Одна разновидность этих групп входит в состав центров аденозин-трифосфатазной активности, которая сильно зависит от рН среды (оптимум рН — 6,0 и 9,5) и концентрации КС1. Эти же группы участвуют в замыкании связей (спаек) между миозином и акти­ном. Образующийся при этом актомиозин также обладает аденозинтрифосфатазной активностью. Связь между миозином и акти­ном стабильна в отсутствие свободной АТФ, в ее присутствии она разрывается. Второй вид сульфгидрильных групп ингибирует аденозинтрифосфатазную активность.

“Хвост” молекулы миозина состоит из двух спирально перекру­ченных частей легкого (б) меромиозина. Он имеет большой элек­тростатический заряд, что играет важную роль при построении протофибрилл из миозиновых молекул.

Актин— второй важнейший сократительный белок. Его можно извлечь холодной подщелоченной водой из высушенной ацетоном после экстракции миозина мышечной ткани. Актин может сущест­вовать в трех формах: мономерной (глобулярной), димерной (гло­булярной) и полимерной (фибриллярной). Мономерный глобуляр­ный (G) актин связан с АТФ. Его молекулярная масса около 40000 у. е. Полипептидные цепи уложены в нем очень плотно в компактную сферическую структуру с неполярными группами внутри глобулы и полярными — снаружи. Заряд молекулы G-актина отрицателен и сравнительно невелик. Мономеры актина, рас­щепляя АТФ, способны соединяться в димеры, содержащие АДФ.

Из димеров построена двойная спираль полимерного фибрил­лярного актина (рис.). Переход глобулярного актина в фибрил­лярный происходит в присутствии ионов К⁺ и Мg²⁺. В живых мышцах преобладает фибриллярный актин. Образование спаек между актином и миозином возможно при разрыве части связей между мономерами актина, расположенными в соседних цепях двойной спирали. Актин обладает способностью связывать ионы Са-*-+.

В миофибриллах содержится довольно большое количество тропомиозина — белка, растворимого в солевых растворах (1 М КС1), имеющего молекулярную массу около 130000 у. е. и со­стоящего из двух α-спиральных полипептидных цепей. По структу­ре и свойствам очень сходен с легким меромиозином. Тропомиозин образует комплекс с белком тропонином — глобулярным белком с молекулярной массой около 86000 у. е. Тропонин имеет большой отрицательный заряд. В покоящихся мышцах тропонин соединен с актином и блокирует его активные центры. Эта блокада снима­ется после поглощения тропонином ионов Са²⁺. В миофибриллах имеется также небольшое количество α- и β-актининов.

Структура толстых и тонких протофибрилл саркомера на мо­лекулярном уровне может быть представлена следующим образом. Толстые протофибриллы А-дисков, имеющие длину около 1500 нм и толщину 10 нм, состоят из пучка продольно ориентированных молекул миозина (около 360). В результате электростатического взаимодействия между «хвостами» легкого меромиозина в толстых протофибриллах образуется структура, похожая на многожильный кабель, над поверхностью которого выступают «головки» тяжелого меромиозина. В центральной М-полосе толстых протофибрилл «го­ловки» отсутствуют. Это значит, что миозиновые молекулы соеди­нены здесь своими «хвостами» и «головы» их направлены в разные стороны. Выступающие «головки» расположены по пра­вильным спиральным линиям. На поперечном срезе толстой протофибриллы насчитывается 18 молекул миозина.

Тонкие протофибриллы, имеющие длину около 1000 нм и тол­щину 6 нм, расположены радиально вокруг толстых протофибрилл и состоят из двойной спирали фибриллярного актина, в бороздках которой уложены тропомиозиновые молекулы, соединен­ные с тропонином. Спираль фибриллярного актина включает до 300 мономерных глобул актина, которые являются не только струк­турными, но и функциональными единицами тонких протофибрилл: каждая из них содержит активный центр, за счет которого возмож­но образование спаек с миозином. Z-мембраны саркомеров построе­ны из тропомиозина и α-актинина, скрепляющих между собой тон­кие протофибриллы.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ МЫШЕЧНОМ СОКРАЩЕНИИ.

При мышечном сокращении происходит повторяющееся образо­вание и разрушение спаек между «головками» миозиновых моле­кул толстых протофибрилл и активными центрами G-актиновых единиц тонких протофибрилл. Возникновение спайки можно пред­ставить себе следующим образом. В расслабленной мышце «го­ловки» миозина, образующие боковые отростки толстых протофиб­рилл, расположены перпендикулярно по отношению к продольной оси толстой протофибриллы. В ходе сокращения «го­ловка» переходит в угловое положение. При этом замыкается спайка между актином и миозином. Затем изменяется структура «головки» миозиновой молекулы, вследствие чего в спайке развивается напряжение; она укорачивается и продвигает актиновую нить вдоль миозиновой по направлению к центру саркомера на расстояние, равное длине G-актиновой единицы.

Чтобы полностью вдвинуть тонкие протофибриллы в промежут­ки между толстыми, одной спайки недостаточно. В момент сокра­щения образуется около 300 спаек в минуту в каждом центре.

Укорочение спайки и продвижение актиновой нити вдоль мио­зиновой - процесс, требующий затраты энергии. Веществом, хи­мическая энергия которого может быть непосредственно преобра­зована в механическую работу мышечного сокращения, является АТФ. Такое преобразование энергии происходит при гидролитиче­ском расщеплении АТФ, ускоряемом ферментативным центром миозина. Энергия при этом передается миозину, который, изменяя свою внутреннюю структуру, совершает механическую работу.

В покоящейся мышце имеется и миозин, и связанная с ним через ионы Мg⁺⁺ АТФ, однако расщепления АТФ миозином не происходит и спайки между миозином и актином не образуются. Этому препятствует связывание ионов Са⁺⁺ белковым веществом, входящим в состав SR. АТФ в мышце находится в ионизированном состоянии в виде анионов АТФ~⁴ (свободная) и Мg-АТФ~² (свя­занная с миозином). АТФ присоединяется к миозину в некотором отдалении от центра АТФ-азной активности, который также заряжен отрицательно. Пока этот заряд не будет нейтрализован ионами Са⁺⁺, АТФ не может реагировать с центром и расщепляться. Образованию спаек миозина с актином в покое препятствует комплекс тропомиозина с тропонином, несущий (за счет тропонина) большой отрицательный заряд и блокирующий активные цент­ры актина.

Положение меняется только с приходом нервного импульса, когда в области двигательных нервных окончаний выделяется пе­редатчик импульсов — нейрогормон ацетилхолин. Полярная молекула ацетилхолина, взаимодействуя с белками сарколеммы, изменяет их структуру таким образом, что проницаемость сарколеммы для ионов Nа⁺ становится значительно больше, чем в покое. Ионы Nа⁺ устремляются внутрь мышечного волокна, нейтрализуя отрицатель­ный заряд на внутренней поверхности сарколеммы. Происходит деполяризация сарколеммы и связанных с ней поперечных трубо­чек саркоплазматического ретикулума. От трубочек волна возбуж­дения передается мембранам пузырьков и цистерн, основная масса которых оплетает миофибриллы на участках, где происходит вза­имное наложение актиновых и миозиповых нитей. При этом осво­бождаются ионы Са⁺⁺: