Актин-миозиновая система

Актин и миозин — два белка, ответственные за замечательную двигательную систему, впервые выявленную в мышечных клетках, но, как теперь известно, существующую во всех клетках: тонкие актиновые филаменты (нити) образуют так называемые «цитокости», а толстые миозиновые филаменты — «цитомышцы».
Актиновые филаменты обычно группируются в тонкие пучки, которые тянутся через всю цитоплазму подобно телефонным проводам (так называемые волокна напряжения) либо переплетаются в виде различных кабелей, ремней, покрытий или паутины, которые чаще всего служат для укрепления плазматической мембраны. Они также составляют осевые стержни, поддерживающие такие поверхностные выросты, как микроворсинки. Каждый актиновый филамент толщиной 6—7 нм (около 60 мм при нашем увеличении в миллион раз) состоит из двух переплетенных нитей.В отличие от другиих нитевидных структур, с которыми мы сталкивались до сих пор, такими, как коллаген и кератин, актиновые нити образуются не из фибриллярных белков, а скорее из маленьких белковых шариков (глобул) обычного скрученного типа, соединенных комплементарными сайтами связывания, расположенными на двух полюсах. Тем самым актиновая нить напоминает одну из тех бесконечно растущих цепей или рядов, которые можно построить из одинаковых взаимосоединяемых частей, которые часто даются детям для проверки их комбинаторных навыков. Как и эта цепь, актиновая нить характеризуется полярностью, определяемой направлением оси «замок—ключ» в составляющих ее частях. В случае актина цепь не одинарная, а двойная, поскольку составляющие ее части (единицы) имеют второй сайт «замок—ключ», находящийся сбоку. Связывание двух параллельных нитей этими сайтами происходит с направленным слегка вправо поворотом, создающим вытянутую, состоящую из двух нитей спираль с шагом 77 нм (около 7,5 см при нашем увеличении), которая содержит 14 пар субъединиц в одном витке.
Субъединицы активных филаментов называют глобулярным, или й-актином.
Продукт их полимеризации представляет собой фиброзный, или Р-актин. Взаимопревращаемость этих двух форм — вот фактор, позволяющий живым клеткам демонтировать некоторые части своего акти- нового скелета и собирать их снова, но уже по-другому. Эти взаимопревращения контро-лируются сложной регуляторной системой, до сих пор во многом нерасшифрованной, при активном участии АТФ. На молекуле й-актина существует специфический сайт связывания для АТФ. При полимеризации актина молекула АТФ гидролизуется и образующийся АДФ остается связанным с И-актином. Перед тем, как структура распадается, АДФ замещается на АТФ.
Как правило, спиральные желобки, разделяющие две нити актинового филамента, заняты тонкой нитью, образованной молекулой другого белка, так называемого тропомиозина (греч. /лоре — поворачивать, туз — мышца). Эта молекула представляет собой закрученную влево спираль дли-ной около 41 нм, образованную двумя идентичными полипептидными аспиральными на большем своем протяжении цепями с шагом 7 нм. Перед нами второй пример а-спирали, которую мы недавно видели, рассматривая волокна кератина. Отметим, однако, что тропомиозин состоит из двух спирально скрученных нитей, а кератин — из трех. В актиновом филаменте каждая молекула тропомиозина простирается на расстояние, соответствующее расположению семи О-актиновых субъединиц, или половине витка спирали. Следовательно, на каждый 77-нм виток Р-актина приходится две пары димерных молекул тропомиозина, закручивающихся вместе с 14 парами й-актиновых субъединиц. Только в поперечнополосатых мышечных клетках эта повторяющаяся структура содержит четыре дополнительные молекулы другого белка, тропонина, который прикрепляется к актиновой нити вблизи соединения между последовательными молекулами тропомиозина. Тропонин, как мы увидим дальше, играет ключевую роль в регуляции мышечного сокращения.
Актиновые филаменты одним своим концом — всегда одним и тем же относительно полярности филамента — прочно прикреплены к плоской дископодобной структуре. Помимо идентифицированного белка а-актинина в состав этой структуры
входят и другие белки. Эти точки прикрепления остаются даже после демонтажа филаментов и служат сайтами «ядрообра- зования» для роста новых филаментов Цитохалазин В (яд, получаемый из грибов) обладает способностью связываться с растущими концами активновых филаментов и ингибировать их дальнейшее удлинение. Эта способность позволяет цитохалазину противостоять другой клеточной активности, вызывающей ремодели- рование актинового цитоскелета, что чрезвычайно важно для анализа самой этой активности.
Диски прикрепления актиновых филаментов в свою очередь прикреплены к специальным участкам — «пэтчам» на внутренней поверхности плазматической мембраны либо друг к другу, либо к другим внутриклеточным органеллам. Именно таким образом они формируют самые разнообразные положения, которые можно обнаружить в различных типах клеток или в одной и той же клетке в разных функциональных состояниях. Прикрепление этих дисков обеспечивается рядом структурных белков (название которых .намекает на их свойства), таких, как, винкулин (лат. vin.cu.la — связь), анкирин (греч. апкуга — крючок, ловушка) или спектрин (название объясняется тем, что белок впервые был выделен из «теней» эритроцитов). В мышечных клетках многочисленные диски прикрепления соединены белком десмином с образованием структуры, напоминающей две склеенные спинками щетки с направленной в разные стороны щетиной.
Мы увидим, как эти «щетины» функционируют при мышечном сокращении. Но прежде представляется полезным изучить’ один пучок из нескольких актиновых филаментов, начиная с точки их прикрепления. Сначала филаменты образуют до-вольно рыхлый запутанный клубок; такое впечатление, будто они держатся вместе только за счет их общего прикрепления. Но постепенно они собираются в цилиндр из шести филаментов вокруг длинного центрального стержня толщиной около 15 нм. Сам стержень простирается за концы филаментов, достигая в длину нескольких сотен нанометров (иногда до 1 мкм), и заканчивается, как сердцевина, во втором, симметрично ориентированном пучке филаментов. Наше увеличение в миллион раз позволяет увидеть неподвижный прут длиной около метра и толщиной примерно 1,5 см, соединяющий два противоположно направленных пучка из шести идентичных двойных извитых проволок толщиной около 60 мм.
Этот соединяющий прут, или стержень, образован миозином, уникальным белком, название которого, как и тропомиозина, происходит от греческого слова туе (мышца). Миозин — двойная молекула длиной 155 нм (немногим более 15 см при нашем увеличении). По форме молекула миозина напоминает клюшку для игры в гольф (с расщепленной головкой) или,пользуясь более романтичным сравнением, двойной цветок на длинной ножке По своему строению стержень молекулы (около 135 нм длиной и 2 нм толщиной) очень похож на тропомиозин. Он представляет собой левозакрученную двухнитчатую суперспираль с шагом около 7,5 нм, образованную двумя идентичными почти идеальными а-спиральными полипептидными цепями. Миозиновый стержень представляет собой самую длинную из аналогичных структур, известных в природе. На его верхнем конце две нити разделяются на две подвижные ножки-стебельки, которые постепенно закручиваются в двойные глобулярные «цветы» или «головки»; каждая «головка» состоит из терминальной части одной из нитей стержня, или тяжелой цепи, сплетающейся с двумя дополнительными легкими цепями. В структуре миозинового стержня имеется одна неправильность, обеспечивающая существование шарнира между гидрофобной дистальной частью длиной около 110 нм и более гидрофильной проксимальной частью несущей головки. В результате протеолитический фермент трипсин может разрезать молекулу миозина на две части: легкий ■ меромиозин (ЛММ) и тяжелый меромиозин (ТММ). Второй шарнир существует между головками и стержнем в тяжелом меромиозине; он чувствителен к расщепляющему действию другого протеолитического фермента, папаина, кото рый разрезает тяжелый меромиозин на два субфрагмента Б] и
Миозиновые молекулы обладают удивительным свойством спонтанно собираться в пучки, которые напоминают миниатюрные экзотические деревья, украшенные изящными гирляндами цветов. «Ствол» этого дерева образован из стержней миозиновых молекул, соединенных вдоль своими гидрофобными частями из ЛММ; стержни располагаются ступенчато и спирально таким образом, что возможно неограниченное удлинение ствола при постоянной толщине (за исключением заостренной верхушки). Головки, или «цветы», выступают из ствола на более гидрофильных участках ЛММ, образуя гирлянду, которая спирально закручивается вокруг ствола. Истинная конфигурация этой структуры все еще не ясна и, как полагают, может значительно варьировать в зависимости от типа клеток и вида животного. Постоянным, по-видимому, является только продольное расположение головок вдоль ствола. Дополнительной, но крайне важной особенностью этого процесса сборки миозина является его симметричность. Два ‘миозиновых «дерева» всегда соединены своими корнями таким образом, что каждый миозиновый филамент образован двумя украшенными гирляндами стволами противоположной полярности, соединенными «оголенной», без «цветов», центральной частью длиной около 300 нм.
Цветы на миозиновом дереве — строго говоря, головки миозиновых молекул — представляют собой крючки, к которым прикрепляются актиновые филаменты. Они располагаются вокруг ствола так, что с ними могут связаться шесть параллельных актиновых филаментов, создавая вокруг ствола гексагональную оболочку. Одна такая оболочка образуется на каждом конце миозинового ствола, который тем самым соединяет два противоположных актиновых пучка.
Такое расположение требует, чтобы актиновые филаменты имели определенным образом ориентированные сайты связывания для миозиновых головок. Это свойство может быть использовано для идентификации актиновых филаментов на тканевых срезах и определения их полярности. Миозиновые головки, ферментативно отрезанные от стержня и очищенные, используются как реагенты. Они специфически связываются с актиновыми филаментами и «украшают» их типичными наконечниками, острие которых направлено в сторону свободного конца актинового филамента.

Добавить комментарий