Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

О возможной роли двух головок молекулы миозина в мышечном сокращении

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "О возможной роли двух головок молекулы миозина в мышечном сокращении"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИП ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

- ДЕЩЕРЕВСКАЯ НИНА ПАВЛОВНА

о возможной роли двух головок молекулы мйозина в ышечном сокращении

03.00.02 - Биофизика

Автор е ф арат диссертации па соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 1991

Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной биофизики Академии наук СССР

Официальные охшоненты: доктор биологических наук Г.П.Шнаев

кандидат биологических наук Д.И.Левицкий

Ведущая организация: Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова

Защита диссертации состоится "

в час. на заседании Специализированного соиета Д 053.57.50 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9, Оиолого-почвенный факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биолого-почвенного факультета

Автореферат разослан "

Ученый секретарь Специализированного совета, канд. Оиол. наук

З.И.Крутецкая

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Выяснение молекулярных механизмов биологической подвижности и мышечного сокращения является одной из фундаментальных задач современной биофизики. В 50-х годах были сформулированы две основополагающие гипотезы мышечного сокращения: гипотеза скользящих нитей и мостиковая гипотеза генерации силы. В зто время еще не были получены основные экспериментальные данные ни о природе нитей, ни о структуре мостиков. Высказанные авторами гипотез предположения послужили стимулом для проведения в различных лабораториях мира дальнейших исследований, в основном подтвердивших правильность этих гипотез. Однако,при более тщательном анализе можно выявить некоторые несоответствия, при устранении которых оказывается возможным внести ряд принципиальных изменений в существующие представления о механизме работы актомиозинового мостика.

Цель работы - критический анализ указанных гипотез в СЕете накопленных экспериментальных данных, вл.вление возникших несоответствий и на их базе дальнейшее развитие представлений о механизме функционирования мостика.

Научная новизна. Установлена неприменимость двумерных схем при анализе мостк- овых моделей генерации силы. В результате рассмотрения трехмерной схемы мостика предложена новая модель "шагающего" мостика, впервые учитывающая возможность взаимодействия двух его головок с двумя актиновыми нитями. В хода формулировки модели получен ряд следствий и предсказаний, которые подтверждены при последующем рассмотрении. Предположение о попеременной работе головок "шагающего" мостика автоматически приводит к трехстадяйному циклу костяка, включающему тормозящее состояние, постулированному в кинетической теории мышечного сокращения (Де-щеревский, 1968). Показано, что требуемый для такой работы осевой сдвиг участков замыкания головок данного мостика на соседних -актиноных нитях- автоматически следует из гексагональной упаковки актиповых нитей в решетке саркомера и специфической укладки глобул в двойной спирали актина. Установлено, что в летательных мышцах насекомых, имеющих.иную упаковку и ориентацию актиновых нитей, возможность движения "шагающего" мостика обеспечивается в случае взаимодействия мостиков данной толстой нити со всеми 12-ю окружающими ее тонкими нитями.Показана геометрическая возможность движения "шагающих" мостиков в немышечных системах биологической подвижности.

В ходе проведенного анализа модели сформулирован ряд дополнительных предсказаний. Показано, что специфическая решетка актиновых нитей в летательных мышцах насекомых может быть использована для регуляции сократительной активности этих мышц. Получено предсказание о трехтякевой структуре толстых нитей в скелетных мышцах. Сформулирована гипотеза о перестройке мостиков в этих нитях при активации мышцы.

Проведен критический анализ известной модели Харрингтона о генерации силы за счет перехода "спираль-клубок" в cotïed-сoll части миозина и показана ее неприменимость к реальной мышце. Предложена новая функциональная роль таких переходов: образование кратковременно существующего демпфера при экстремальных нефизиолопгсеских рекимах сокращения мышцы. Практическая ценность. Любая предлагаемая гипотеза о механизме функционирования актомиозинового мостика обязана удовлетворять всей требованиям, сформулированным в ходе рассмотрения модели, "шагающего" мостика.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзн. Симп. по биофизике и.биохимии биологической подвижности (Тбилиси, 1974; 1985; 1990; Пущино, 1987), на Ыежд. Симп. "Organization of Biological Structure"(Москва, 1989), на Меад. конф. "Иолекулярные механизма биологической подвижности"(София,1989), на 10-th Int. Byopîiys. Congr. (Vancouver, 1990). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ в отечественной и зарубежной печати. Структура диссертации.Диссертация состоит из введения, обзора литературы, формулировки и анализа модели "шагащего" мостика, заклячения и выводов. Диссертация изложена на 120 стр., включая 31 рисунок и библиографпо из 166 наименований.

II. МОДЕЛЬ ДВУХГОЛОВОГО "ШАГАЩЕГО" МОСТИКА

II.I. Формулировка модели и ее предварительный анализ. Выдвинутые к настоящему времени различные, модели генерации силы в ак-томиозиновом мостике(A.Huxley, 1957; H.Huxley, 1969; A.Huxley-Sinmona, 19T1) либо не учитывают наличия двух головок у молекулы миозина, либо предполагают, что обе головки взаимодействуют с одной и той же актиновой нитью. Кроме того, общепринятые двумерные схемы, использупциеся при анализе этих моделей (рис. 1а), предполагают, что головка мостика находится в той же плоскости,

a

с- С" ,г

5©

а

-

.Л1

А1

1

=ш

Рис. I. Упрощенная схема актомиозюювого мостика:

а,б - схема, учитывающая одну головку- миозкнового мостика; в -схема, учитывающая обе головки. На схемах показаны проекции на плоскости, параллельную(а) и перпендикулярную(б,в) оси волокна. М - миозиновая нить; А1,А2,АЗ - эктиновае нити; ВС, В'С' - первая головка мостика в начале и в конце рабочего хода; BD - вторая головка того ке мостика.

Flic. 2. Двикение двухголового миозкнового мостика по деум акта-ноеым нитям AI и Д2: а. Общий еид мостика; б. Вид мостика в проекции на плоскость актиновнх нитей. М - толстая нить; Z -Z-мембрана, соединяющая актиноше нити.

что и актиновая, и миозиновая нити. Однако, после уточнения размеров миозиновой молекулы (Elliott, Offer, 1978; Takaliashi, 1978) стало очвтцщо, что длина головки превышает расстояние между поверхностями актиновой и миозиновой нитей, т.е. на рис. 1а конец В головки ВС должен выступать из плоскости рисунка и необходимо рассмотрение трехмерной модели мостика(рис. 16).Учет второй головки, взаимодействующей аналогичным образом с соседней актиновой нитью(рис. 1в), и введение предположения о попеременной работе головок автоматически приводят к модели "шагающего" мостика(рис. 2а). "

На рис. 26 показано несколько промежуточных стадий его движения: стадия I - головка I закончила свой рабочий ход, но

еще не разомкнулась; стадия II - после размыкания головки 1 головка 2 совершает свой рабочий ход; стадии III, IV, v - начало, промежуточная стадия и конец рабочего хода головки 1. На стадиях I, III, V происходит "перешагивание" мостика с одной актино-вой нити на другую. Совершение рабочего хода в модели сопряжено со скольжением нитей(в пределах жесткости последовательной упругости мостика). Иногда возможно одновременное размыкание обеих головок.

При формулировке модели мы не выходили за рамки общепринятых представлений. Каждая головка, взятая отдельно, работает в полном соответствии с ними: замыкается, совершает рабочий ход и размыкается. Однако, уже из самой формулировки модели вытекает ряд следствий. Рассмотрим некоторые из них.

1. Две разные ригорные головки одного мостика - головка 1 на стадии I, V и головка 2 на стадии III(рис. 26) - должны замыкаться на соседних, актинонах нитях на разном осевом уровне.

2. Завершающим состоянием рабочего цикла мостика в модели является тормозящее состояние - на схемах I, V совершение рабочего хода головкой 2 тормозится неразомкнутой головкой 1; на схеме III тормозящей является уже головка 2. Таким образом, модель дает естественное объяснение трехстадийному циклу мостика, включающему тормозящее состояние, гипотетически введенному в кинетической теории мышечного сокращения(Дещеревский, I9G8).

3. При поочередном размыкании головок в ходе движения "шагающего" мостика сам мостик остается связанным с системой актиновых нитей. Отсюда следует возможность направленного (неброуновского) движения двухголовых молекул миозина по актиповым "рельсам" при выполнении различных функций в немышечных системах биологической подвижности.

Проведем дальнейшее рассмотрение модели.

II.3. Геометрическая возможность движения "шагающего" мостика. II.3.1. Метод рассмотрения. Геометрия декорированной актиновой нити. При проведении рассмотрения предполагается, что положение замкнутых головок миозиновых мостиков в ригорной мышце аналогично положению субфрагментов-I миозина на декорированных актиноных нитях. На рис. 3 построено схематическое изображение участка такой нити, соответствующее данным Moore et al.(I970). Использована модель актиновой нити с 41 субъединицей в трех оборотах двойной спирали(Леднвв, 1974). Актиновые глобулы и замкнутые на них SI пронумерованы в соответствии с их относи-

13ПОЯ»»*«»!! ДПОЛЬ ОСИ ПЕТИ, и уютом сдвига ни 0.5 глобул: мэтд/ даукя тахта окяшовоВ спарала(Нзппсп, Хдтгу, 1963).

Предположм, что вся генерируемая мостиком сила направлена вдоль осгг ю-гсгагэ, тяк что го внвшзвот значительного перемещения голокя в плоскости, перпендикулярной этому направлении. Тогда рзс. 3 иожно с некоторой точностью использовать и для со-кралащейся шшр - при совершении мвозиновыми головками рабочего хода положила проекций зщашутых головок будет оставаться неизменным, изменяться будет лкшь их длина.

Рассмотри« теперь сокращающуюся скелетную кницу.

Гво.З. Участок отдельно» актгаговоЛ нити, декорированной суб-(¡^¡эппнтти-1. Логавя даяша' проекций SI равна длина мгозияовоЗ головки(IS га); чэртахх на проекциях показывают их укорочение при пиаклге 81 на угол 45 к яктвновой нити. Цгфрк нэ проекциях укззшшпг помор? соответствующих им глобул в двойной спирали гаепгая. Увеличение цп?р соответствует двяхеикю вдоль октановой натк вверх стгоскталько плоскости, рисунка. Конец актиновой нити, связчргеЕ с Z-издбргной, расположен тою плоскости рисунка.

Ряс. 4. Возмсгошо м-зста ззмшезния головок "шагащэго" мостика в скелетной швцэ. HI, KII, НШ - киоакновно нити, AI-AVI - sk-тшюшв нетк. Расстояние мезду цвнтрямт соседних актиновой и мяозвшвоЯ натей - 26 к». Отрицательные числа на проекциях SI соответствуют SI, замкнутнм па глобулах, расположенных ниже, положительные - выше плоскости, проходящей через нулевую глобулу. Z-M9K3pnHS ки» плоскости рисунка.

II-3.2. "Шагащие" мостики в скелетной мышце. На pic. 4 построен поперечный срез участка скелетной мышцы толщиной в 12 глобул актина(т.е. 66 нм). Все актиновые нити ориентированы одинаково. Для ряда глобул по аналогии с рис. 3 построено положение ригор-ных головок миозиновых мостиков; стержневые части мостиков не показаны. Так как миозиновая нить содержит лишь один ярус мостиков на интервале 14.3 нм, что равно длине 2.6 глобул актина, в реальной мышце может быть замкнута лишь часть из показанных на рисунке миозиновых головок.

Сравнение участков возможного замыкания ригорннх головок мостиков нити M на соседних актиновых нитях АН, на глобулах (-0.5),(0.5) и (1.5),- и АШ,на глобулах (1.5),(3.5) и-(3.5), как и на любой другой паре соседних актиновых нитей,'показывает,что следствие I предыдущего пункта выполняется - участки замыкания ригорннх головок действительно сдвинуты.

Далее, как видно из рис.3, дисталыше концы некоторых проекций миозиновых головок с соседних актиновых нитей сближены -например, головок (О) на AV и (-3.5) на AVI. В ригорной мышце концы самих головок находятся на разной высоте. Однако, в сокращающейся мышце, если головка (0) закончила свой рабочий ход и является "ригорной", а головка (-3.5) только замыкается и пер-пендакулярна нити AV, концы этих головок будут близкими. Расстояние между ниш (5.8 нм) легко рассчитать. Оно вполне сравнимо с толщиной стержневой части миозина. Таким образом, эти головки могут принадлежать одному миозиновому мостику, перешагивающему с нити AV на нить AVI. Аналогичную пару головок можно найти на рис. 3 на любой из шести пар актиновых нитей, окружающих нить Ml. Таким образом, в скелетной мышце, при одинаковой ориентации актиновых нитей, геометрически возможно движение "шагающих" мостиков.

II.3.3. "Шагащие" мостики в летательных мышцах насекомых. Сравним решетку актиновых нитей в саркомерах скелетной(рис. 5а) и летательной(рис. 56) мышц. Из рисунков видно их различие. В летательной мьшцв актиновые нити расположены на прямых, соеди-няицих миозиновые нити. В результате этого какдая миозиновая нить окружена 12-ю актиновыми нитями,которые мокко объединить в 6 условных треугольников(на рисунке часть из них заштрихована).

На рис. 6 показан поперечный срез участка летательной мышцы толщиной в 5.5 глобул актина. Так как соседние актиновые нити в этом .типе мышц имеют различную ориентацию (см. рис. 56), то

участки возможного замыкания на шести парах актиновых нитей, ближайших к миозиноеой нити М, практически совпадают(Oiler, Elliott, 1978) - например, глобулы 0,1 и 2 на нити А5 и глобулы 1,2 и 3 на нити A3. Это исключает возможность движения "шагающих" мостиков по указанным парам актиновых нитей. Однако, из рис. 6 можно Еидеть и возможность замыкания "шагающих" мостиков - внутри всех шести треугольников из актиновых нитей, как например, в треугольнике из нитей AI-A2-A3 по глобулам (3.5) -(I) - (-0.5) и т.д., в треугольнике из нитей АЗ,А4,А5 по глобулам (4) - (1.5) - (-1) И Т.Д.

Таким образом, несмотря на иную упаковку и ориентацию актиновых нитей, в летательных мышцах насекомых также существует

Рис. 5. Схемы поперечного сечения скелетных мышц позвоночных(в) и летательных мышц насекомых(б). Линии, соединяющие толстые и тонкие нити, проведены условно. Цифры 1,2 и 3 соответствуют различной ориентации актиновых нитей(переход от I к 2 и от 2 к 3 соответствует повороту на 120 по часовой стрелке).

Рис. G. Расположение миозиновых головок в случае их замыкания на акишоЕых нитях в летательной мышце насекомого. AI.A2 и т.д. - актиноЕые нити; MI.M2 и т.д. - миозиновые нити. В клеточку заштрихованы толстые и тонкие нити и проекции тех миозиновых мостиков, головки которых могут быть замкнуты на одинаковом осевом уровне, без перешагивания. Косой штриховкой шделены возможные положения гсшовок "шагающих" мостиков. Пунктиром показаны головки, замкнутые на глобулах, расположенных ниже нулевой глобулы. Z-мембрана ниже плоскости рисунка.

ВОЗМОЖНОСТЬ ДЕКЕЭНИЯ "ВаГВЩЯХ" КИ03ИН0ШХ КОСТИКОЕ.

Однако, в проведенных шве рассмотрениях мы использовали искусственное продоолокение о том, что при совэряа кик рабочего хода головкой мостика полохошю ее проекции не измвняотся. Кроме того, в начале 80-х годов были получо1ш болов, точные'дашшо о геометрии комплекса актин■-SI(Taylor, Акоа, 1981). К тому ко, рассмотрение можно значительно упростить, если использовать другую модель актина, с 13-и субъединицами в 6 оборотах двойной спирали(Hanson, Lowy, 1963). Всо это требует проведения нового, более точного рассмотрения.

II.3. Уточнение модели "иагапцого" мостика. II.3.1. Уточнение геометрии декорированной актиноЕой нити. На рис. 7а приведено положение мирзиновой головки, использованное 'нами выше(показано штркхпунктиром), новые данные по расшифровка относительного положения SI на актииавой глобуле(заштрихованный

Рис. 7. Уточнение положения ригорной миозиновой голоеки на ак-тиновой нити: а,в - комплекс 51-вктин и его упрощенная схема, соответственно; вид со,стороны М-линии; б - яумерация субъеда-ниц а «.типовой спирали. На схеме (а) показаны три варианта положения 51 (подробности в тексте); пунктирные окружности с номерами I и 0.5 соответствуют одноименным актиновым глобулам из схемы (б). На схеме (в) актиновая нить показана в виде окружности (радиус окружности равен диаметру актинонов глобулы).

4нм

О '

дантур) и прктглтпя итч яп i'x осжнтгаш новая схема: прородэн-Ш» ПуПЯТЯрсЯ тр;5 каспхкгкося окруяюстя с даямитркл! 4,4 и 6.4 :к пзсСржгоюг дпа сосоднггз субьв диктат актина и глоСулярвую чпсть wtcr.nircr.cíí голоки, соотвотстаэнио; длзлмл ось жтсзепо-r.oíí голсею1(?якуэ показана пунктиром) услстаю nptnma прсходя-:'дЛ чороз центра скрукностей, изображая®« во глобулярную часть . и связанную с ива вхтяпову» глобулу. Точка касания этих окрук-ясстей в ¿алыюИвоя рассматривается как точка контакта головки

с гдтиноеоя нитьп.

В принятой схема легко рассчитать расстояние от центра ак-тиноеой нити до точки контакта и угол между длинной ось» головка и радиусом актгаювоа тати, проходязрад через точку контакта, а затем ввести еще болов простую схему, показанную на рис. 7с. Нз ней-построены рассчитанные выше расстояние 0Б=2.4 им и угол ¿АВ0=127.2°,- а тскяе длинная ось маозиновой головки AB-I9 ям. Хотл принятая схема условна л полученные численные значения являются лишь приблизительными оценка?®!, ее введете позволит вам провести достаточно строгое рассмотрение, результаты которого, как будет видно из дальнейшего, не зависят от шбраннсй нами частной cxf'i'u.

Актмювая нить на принятой схеме представлена в виде окружности; изображения отдельных глобул опудеш. Однако, и на этоЗ, и па ггослздукцях схемах ряс. 8 и Э положение любой антилопой глобула легко представить а помощью схемы из рис. 76 -акткновая нлть на этой схема специально повернута так яе, как и актиновне нити на всех указанных рисунках. II.3.2. Движение "яагаших" мостиков в скелетной индце. На рис. 8 показан лопорочяый срез участка скелетной ,'ялзцы толщиной около 3 глобул актина. Для актиновых нитей принята модель спирали I3~; eco акткновие ната повернуты одаяаково. Расстояние между цэнтрамя соседних нлтей принято равным 26 нм. На актиновых нитях для некоторых глобул построены, в соответствии со схемой рис. 7с, положения замкнутых на них ригсрных киозиповах головок. Как видно из рис. 8, необходимое условие для движения "ша-гаюцях" костяков - несовпадение осевых уровней замыкания ригор-ных головок на соседних актиновых нитях - выполняется. На соседних актинонах нитях в роли "ригорных" головок мостика, закончившего очередной рабочий ход и готового к Перешагиванию, могли бы выступать последовательно на нитях AI-A2 головки 7.5 и 4, на нитях AI-Aß - головки 8.5 и 5.5 и т.д., соответственно.Определим геометрическую возмсгассть такого перешагивания.

Рассмотрим одну из шести пар актиновых нитей, окружающих миозиновую нить М, более подробно. На рис. 9а для актиновых нитей А1 и А2 из рис. 8 построены, также в соответствии со схемой рис. 7с, проекции ригорных миозиновых головок в случав их ззмы-

Рис. 8. Возможные места замыкания при движении двухголового ми-озинового мостика в скелетной мышце, полученные при уточненном рассмотрении.

AI.A2 и т.д. - актиновые нити; М - миозиновая нить. Для некоторых глобул актиновых нитей показаны замкнутые на них ригорныэ миозиновые головки; цифры у дистальных окончаний головок обозначают, как и раньше, номера этих глобул в двойной спирали актина. Отрезки FE,ЕС и CD,DF - проекции длинных осей головок ми-озинового мостика, перешагивающего с глобулы 7.5 нити A.I на глобулу 4 нити А2, и с нити А2(глобула 4) на нить AI(глобула I), соответственно; проекции осей замыкающихся голоеок показаны штрихпунктирными линиями.

кания на глобулах 0,1,2,3 и 4 нити А2 и 7.5 нити АХ. Окружности, изображающие глобулярные части миозиновых головок, здесь опущены. Так как в двойной спирали актина I3g ориентация акти-' новых глобул повторяется через каждые 6.5 глобулы, проекции ригорных головок на глобулах 6.5 и 0 или 7.5 и I полностью совпадают, хотя сами головки находятся на разном осевом уровне.

Ориентация актиновых нитей на рисунках 7,8 и 9 не является произвольной, но для удобства рассмотрения выбрана нами так, чтобы проекции точек контакта ригорных головок на глобулах с номерами 1(или 7.5) рассматриваемых актиновых нитей лежали точно на прямой, проходящей через центры этих нитей.

На рис. 96 построена отдельно объемная схема, дающая трехмерное изображение расположения длинных осей миозиновых головок, замкнутых на глобулах 7.5 нити AI (отрезок РЕ') и 4 нити А2 (от-

5 от

Рис. 9. Схема для оценки возможности замыкания двух головок ми-

озинового мостика на двух актиновых нитях в момент перешагивания: а. Проекция на плоскость, перпендикулярную актиноЕЫм нитям; б. Трехмерная схема. Подробности и обозначения в тексте.

резок С'Б" ). Из рис. 8 мы видели, что ригорная головка на глобуле 7.5 нити А1 могла бы оказаться одной из головок "шагающего" миозинового мостика, который перешагивает с нити А1 на глобулу 4 нити А2. Для осуществления такого перешагивания расстояние от дистального конца головки РЕ' до точки контакта на глобуле 4, т.е. расстояние Е'С", не должно превышать длину миозиновой го* ловки. Это расстояние легко определить из треугольника АСЕ' Е", зная, что высота ЕЕ*=СС"=3.5«5.5 нм и ЕЕ'=И?'=19нм/з1п 45°, после определения величины С"Е"=СЕ.(Эту величину можно найти с помощью рис. 9а: угол /Р02С=180°-За, где а - угол поворота соседних глобул актиновой спирали друг относительно друга, который в модели 136 равен 27.7°. Далее, 02Р=(26 нм-2.4 нм). Отсюда СР=24 нм и угол ¿02?С=5.7°. Тогда угол ¿ОТЕ=47.1°, и из треугольника ЛОТЕ можно найти СЕ=17.8 нм).

Искомое расстояние Е'С' составляет 18.7 нм, что практически равно длине миозиновой головки. Это означает, что отрезки ЕЕ' и С'Е' могут являться длинными осями двух головок одного "шагающего" мостика, перешагивающего с нити А2(глобула 7.5) на нить А1 (глобула 4)-.

При даяьыа£дом дакании ""шаггмцэго" костикя гавошш ыа глобуле 4 (отрезок С"Е'), совороив свое рабочий ход, долят по-рвйтк в ригорноо половинке С "В". Для осуществления послэдукдэ-го перешагивания -па глобулу I .нити А1, расстояние между точкой Б'' и точкой замыкания на этой .глобуло также но должно превышать длину кпозиновой головки. Продолжив пирамиду дальше вниз к проведя аналогичное рассмотрение, нетрудно найти, что искомое расстояние равно 18.7 им, т.о. таккэ да превышает длину яиозиновой головка.

Таким образом, геометрическая возмоиюсть движения "шагающего" миозшювого мостика по соседним акткношм нитям АХ и А2 показана и при уточненном рассмотрении. Ка;; видно из рис. 8, остальные пять пар актиношх нитей вокруг ккозишвой нити'И мало отличается от рассмотренной, и в них также икается возкзх-ность движения "шагащих" кюзвнових мостиков, например, по тек глобулам, на которых замшу ты показзшше на рисунке ригорше головки.

XX.3.3. О возможной перестройке мостиков в толстых нитях ско-лотных кати при вктквпцки шдгцч, Как следует из предыдущего рассмотрения, на актиновых глобулах можно шделюсь определенна© • глобулы (центры зс&тания), ка когорих стораческа разрешено замыкание "шагающих" миозишвых мостиков данной толстой нити. При этом, как видно из рис. 8, ввирвша последовательных шагов мостика составляет 2.5-4 глобулы тетина. Можно показать, что при такой волочило иага костюм на актинонах нетях к расстоянии 14.3 им шзд? последовательна«: ярусами ыостихов на кзозшшнх' нитях минимальное возкожнов расстояние »»ад двумя оядо&зш: "шагаицими" мостиками, двшеущвмаск по данной пару ажтюгох пк-тей, составляет 2«14.3 ж. Тогда, считая, что период поваорою»: . центров закцкашш равен пор.юду тювторош-.я апткновоК сакрьж к составляет 5.5*5.5 нм, на тру дао получить шреэд постороакг. картины расподогашм "оагаиавх" косткков не двух актикших шгекх -143 нк (рис. 10). Яско, что в этом интервала в случав максимально плотного заполнения актиновых центров "¡яагал^аз:" костяками будут двигаться 5 мостиков. При этом по всем шести парам актинових нитей, окружающих- данную ккозишшув нить, в указанном интервале могут двигаться одновременно 33 мостиков, что соответствует трем мостикам, приходящимся на каждый осевой интервал 14.3 им, т.е. на каздай ярус мостиков. Это хорошо согласуется с литературными данными-о возможности трехтяжевой структуры толстой нити. Однако, в трехтяжевой модели толстой нити (БфИгз,

143НМ

Рис. 10. Возможные положения головок "щагающих" мостиков при их движении по двум актиновш нитям.

Рисунок представляет собой как бы мгновенный снимок участка сокращающегося мышечного волокна в случав максимального заполнения ектиноеых центров. А1,А2 - актиноЕые нити. Отрезки прямых в верхней части рисунка соответствуют последовательным уровням 14.3 нм. Цифры над отрезками обозначают положение этих уровней в единицах нумерации зктиноеых глобул. Заштрихованные глобулы актина соответствуют возможным местам замыкания "шагающих" мостиков. Незамкнутые миозиноше головки показаны пунктиром; их расположение перпендикулярно актиновым нитям условно.

1981) мостики расположены как бы в Э рядов, идущих параллельно оси волокна, с осевдм расстоянием 3»14.3 нн между последовательными мостиками в каждом ряду. Наша модель показывает, что в сокращающейся мышце мостики будут двигаться как бы в шесть рядов, также параллельных оси волокна, с расстоянием 2«14.3 нм между последовательными мостиками в каждом ряду. Отсюда следует виеод о необходимости перестройки мостиков на поверхности толстой нити при активации мышцы из Э-рядовой структуры в покоящей-

ся мышца б 6-рядовуп в сокращающейся. Возможно, что известный феномен кратковременного падения и госледуицего быстрого восстановления интенсивности основного меридионального миозинового рефлекса 14.3 нм на начальной стадии развития натяжения обусловлен именно такой перестройкой.

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, упаковка актиноид нитей в саркомере скелетных и летательных мышц и специфическая симметрия актиновых и миозино-вых нитей предполагают возможность направленного движения "шагающих" миозиновых мостиков по парам актиновых нитей. Недавно появились новые экспериментальные данные, свидетельствующие в пользу такой возможности.

В ряде работ, опубликованных в последние года, установлено, что двухголовые фрагменты миозина (ТММ) способны in uitro в присутствии А.ТФ собирать актиновне нити, в пучки (KaritoYsky et al., 1988; Takiguchi, 1991). В отсутствие АТФ либо при замене ТММ на SI указанный феномен не наблюдался, хотя известно, что для генерации тянущего усилия достаточным является комплекс эктин-SI (Kisíilno et al., 1988). Кроме того, в работе ТаК1-guchl было показано, что в процерсе гидролиза АТФ стабильными остаются лишь пучки с параллельной укладкой, а антипараллельные нити расходятся. В свете изложенного, оба автора приходят к модели ТШ, совершающего, в ходе гидролиза АТФ, направленное движение двумя своими головками по двум актиновым нитям, "например, по типу застежки у молнии"(MarlkOYSky et al.). В более поздней работе Цатуряна с сотр. уже предполагается, что "шагающее" движение мостика является обязательным условием для генерации сократительной силы. Предварительное сообщение этих ав-авторов (Berstiitaky et al., 1991), исследовавших методом температурного скачка переход замкнутых мостикое в мышечном волокне в тянущее состояние, так и называется: "Myosin cross-bridge: two tie ads or a pair oí legs?"

Таким образом, модель "шагающего" мостика начинает получать первые экспериментальные подтвврздения.

вывода

I. Установлена неприменимость двумерных схем при анализе механизма работы актокиозиЕового мостика.

2. Предложена принципиально новая модель "шагающего" мостика, ЕперЕые учитывающая возможность взаимодействия двух его головок с двумя актиновыми нитями.

3. Показано, что возможность движения "пагащих" мостиков в скелетных шшцах обеспечивается гексагональной упаковкой нитей в решетке саркомера и спощфиеской укладкой глобул в двойной спирали актина.

4. Показано, что возможность движения "шагающих" мостиков в летательных мышцах насекомых, имеющих иную упаковку и ориентацию октановых нитей, обеспечивается в случае взаимодействия мостиков данной толстой нити со всеми 12-ю окружающими ее тонкими нитями.

5. В рамках модели "шагающего" мостика дано естественное объяснение трехстадийному циклу мостика, включающему тормозящее состояние, постулированному в кинетической теории мышечного сокращения (Дещеревский, 1968).

6. Подучено предсказание.о 3-тяжевой структуре толстых нитей скелетных мышц. Предложена гипотеза о перестройке мостиков в этих нитях при активации мышцы.

7. Показана возможность использования специфической упаковки и ориентации актиновых нитей в летательных мышцах насекомых для регулировки сократительной активности этих мышц.

8. Показана неприменимость модели Харрингтона о генерации силы за счет перехода "спираль-клубок" в саИвЛ-сач части миозина к реальной мыщце. Предложена иная функциональная роль таких переходов: образование кратковременно существующего демпфера при экстремальных нефизиологических режимах сокращения мышцы.

Автор посвящает своп работу В.И.Дещеревскому, мужу и учители.

Автор выражает глубокую признательность 3.А.Подлубной, без которой эта работа также не могла бы состояться.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сидоренко(Дещеревская) Н.П..Дещеревский В.И., Фрейдина Н.А., Подлубная З.А. Кинетическое исследование взаимодействия Ф-актина с ТММ. Матер, конфер. "Биофизика и биохимия.мышц", 63-65, Тбилиси, 1974.

2. Сидоренко(Дещеревская) Н.П..Дещеревский В.И. Эффект аномального изменения реологических свойств растворов мышечных белков на последней стадии гидролиза АТФ. "Биофизика", 21, N 3, 580-582, 1976.

3. Дещеревский В.И., Сидоренко(Дещеревская) И.П., Букатина А.Е. Исследование механохимического цикла по ферментативной кинетике актомиозиновых систем. В сб.¡"Молекулярная и клеточная биофизика", 196-206, М., "Наука", 1977.

4. Сидоренко(Дещеревская) Н.П. Модель двухголового миозинового мостика и возможность его движения в скелетных мышцах. "Биофизика", 27, N I, 99-105, 1982.

5. Сидоренко(Дещеревская) Н.П. Возможность перешагивания двухголового миозинового мостика в летательных мышцах насекомых. "Биофизика", 28, N 3, 451-458, 1983.

6. Сидоренко(Дещеревская) Н.П. Возможная функциональная роль двух головок молекула миозина - взаимодействие с двумя ак-тиновыми нитями. Матер. YII Всес. Симп."Биофизика и биохимия мышечного сокращения", 107-108, Тбилиси, Х983.

7. Сидоренко(Дещеревская) Н.П. Общность геометрической воможно-сти движения "шагающего" мостика для различных сократительных систем. Там же, стр. 108-109.

8. Sydorenlio (Дещеревская) N.P. Motion of myosln filaments due to interaction оf the two-headed iByosln cross - bridge wlth two actln filaments. "J. Muscle Res. Cell Motil.", 5, N 2, 11T-13G, 1984.

9. Сидоренко(Дещеревская) Н.П. О возможном изменении симметрии в структуре миозиновой нити при активации мышцы. Матер. Y1II Всес. Симп. "Биофиз.биохим. биол. подвижн.",94, Пущ1шо,1987.

10. Сидоренко(Дещеревская) Н.П. Соотношение жесткости мышцы и числа замкнутых мостиков. Там же, стр. 80.

11. Сидоренко(Дещеревская) Н.П. О зависимости числа замкнутых при мышечном сокращении мостиков от нагрузки. "Биофизика", 33, N 3, 522-533, 1988.

12. Sydoreriko(Дещеревская) N.P. Doea ttie existence of thé lielix - coil transition ln S2 prove th.e validity of Harrlngton's model? Proceed. Int. Symp. "Molec. Organlz. Biol. Struct."

v.2, 219, 1989.

13. Сидоренко(Дещеревская) Н.П., Вишневская З.И. Кинетические исследования реологических свойств мншечных белков. Матер. IX Все с. Семи. "Шофкз.биохш.биол.подв.", 35, Тбилиси,1990.

14. Зуйогеп1ш(Деп;еревская) N.P. Some consequences of DesUche-revsKy'a kinetic model. Proceed. 10th. Int. Byopltya. Congr. P.6.1.2, 419, Vancouver, 1991

20.II.91 г. Зак. 3720? Тир. 125 экз. Уч.-изд.л.- 1,0

Отпечатано на ротапринте в ОНТИ ПЩ АН СССР