Циклическая активность поперечных мостиков волокон скелетной мышцы

Последовательность событий, начиная от связывания поперечного мостика с тонким филаментом и до момента, когда система готова к повторению процесса, называется рабочим циклом поперечных мостиков. Каждый цикл состоит из четырех стадий:

- прикрепление поперечного мостика к тонкому филаменту;

- движение поперечного мостика, создающее напряжение тонкого филамента;

- отсоединение поперечного мостика от тонкого филамента;

- получение поперечным мостиком энергии, после чего он снова готов к связыванию с тонким филаментом и повторению цикла.

Каждый поперечный мостик совершает свой рабочий цикл независимо от других мостиков; в любой момент процесса сокращения лишь некоторые из них связаны с прилегающими тонкими филаментами и создают тянущее усилие, тогда как другие находятся в стадии отсоединения.

Химические и физические явления во время четырех стадий цикла поперечных мостиков показаны на .

В конце каждого цикла (стадия 4) АТФ, связанный с миозином , расщепляется с освобождением химической энергии и образованием высокоэнергетической конформации миозина поперечного мостика; с этой формой миозина (М*) остаются связанными продукты гидролиза АТФ-АДФ и неорганический фосфат (Pi). Энергию активной конформации миозина можно сравнить с потенциальной энергией растянутой пружины.

Стадия 4: М.АТФ через гидролиз АТФ переходит в М*.АДФ.Рi

Новый цикл поперечного мостика начинается со связывания высокоэнергетической формы миозина с актином (A) тонкого филамента (стадия 1).

Стадия 1: A+М*.АДФ.Рi через связывания актина переходит в

A.М*.АДФ.Рi

При связывании высокоэнергетической формы миозина с актином запускается освобождение напряженной конформации высокоэнергетического поперечного мостика; в результате связанный с актином поперечный мостик совершает свое вращательное движение (стадия 2) и одновременно теряет АДФ и Рi.

Стадия 2: A.М*.АДФ.Рi через движение поперечного мостика

переходит в A.М* + АДФ.Рi

Процесс последовательного получения и освобождения энергии миозином можно сравнить с работой мышеловки. В ней энергия запасается при растягивании пружины (в мышце - при гидролизе АТФ), а освобождается при ее отпускании (в мышце - при связывании миозина с актином).

Во время движения поперечного мостика миозин очень прочно прикреплен к актину; только после разрыва этой связи он может снова получить энергию и повторить цикл. Связь между актином и миозином разрывается при соединении с последним новой молекулы АТФ (стадия 3).

Стадия 3: A.М + АТФ через диссоциацию поперечного мостика от актина переходит в A + М.АТФ

Обеспечиваемое АТФ разделение актина и миозина - пример аллостерической регуляции активности белка. Связывание АТФ с одним участком миозина снижает сродство его молекулы к актину, связанному с другим участком. Следовательно, он действует как модулятор, регулирующий связывание актина с миозином. Отметим, что на этой стадии АТФ не расщепляется, т.е. служит не источником энергии, а только модулирующей молекулой, которая обеспечивает аллостерическую модуляцию миозиновой головки и тем самым ослабляет связь миозина с актином.

После отделения миозиновых головок от актина происходит расщепление АТФ, связанного с миозином (стадия 4); высокоэнергетическое состояние миозина возобновляется, он может прикрепиться к следующему участку актинового филамента и повторить цикл. Обратим внимание, что освобождение энергии в результате гидролиза АТФ (стадия 4) и движение поперечного мостика (стадия 2) не совпадают во времени.

Подведем итог. В цикле поперечных мостиков АТФ выполняет две разные роли:

- его гидролиз поставляет энергию для движения поперечного мостика;

- его связывание (но не гидролиз) с миозином сопровождается отделением последнего от актина и создает возможность повторения цикла поперечных мостиков.

Необходимость участия АТФ в разделении миозина и актина на стадии 3 цикла хорошо видна, если рассмотреть состояние трупного окоченения (rigor mortis) - ригидности скелетных мышц, которая начинает развиваться спустя несколько часов после смерти и завершается примерно через 12 ч. После смерти содержание АТФ в клетках, в том числе в мышечных, падает, поскольку останавливается кровообращение и больше не поступают питательные вещества и кислород, нужные для образования АТФ в процессе метаболизма. Поперечные мостики, пребывающие в отсутствие АТФ в низкоэнергетическом состоянии, способны связываться с актином, однако без его участия невозможны последующее гребковое движение и разрыв связи между миозином и актином. Толстые и тонкие филаменты остаются соединенными посредством иммобилизованных поперечных мостиков; при таком ригидном состоянии мышцы нити актина и миозина нельзя продвинуть друг относительно друга. Через 48-60 ч после смерти ригидность исчезает вследствие распада мышечной ткани.