Волькенштейн М.В. Общая биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

5.2.

СТРУКТУРА МЫШЦЫ

МЫШЕЧНЫХ БЕЛКОВ

221

имеют диаметр 140 А. Из миозиновой нити выступают «голов-

ки», расположенные на нити

виде спирали 6/2. На дан-

ном

уровне два выступа нахо-

дятся напротив

друг

друга.

Следующие два выступа нахо-

дятся на расстоянии 143А и

повернуты относительно пер-

вой пары на 122°. Структура

как

целое повторяется с перио-

дом 3 X 143 = 429 А [18, 19].

Миозин

представляет со-

бой фибриллярный белок — он

состоит из молекул длиною

/////

////

'/////////////////У/

•'///////////////////

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

Рис.

5.8. Электронные микрофотографии молекул миозина при увеличе-

нии

175 000, полученные Такахаши.

рис.

5.8 показаны электронные микрофотографии миозина [20J.

Подробное электронно-микроскопическое исследование миозина

222 ГЛ. 5. МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ

привело

результатам, показанным

на рис. 5.9 [21].

Моле-

кула построена

из

фрагментов, отвечающих фракциям,

по-

лучаемым

при

гидролизе трипсином,

именно,

из

легкого

ме-

ромиазина

(ЛММ) и

тяже-

лого меромиозина (ТММ),

МММ

(150000)

\(ODOOO)\jr

ТММ

S-1 ™

ею

его

два

Фрагмента

figffggm

S-1

и S-2.

Молекулярные

веса

продольные размеры

030А 370А ^Зёгр этих фрагментов указаны

на

рис.

5.9.

Длинная прямая

Рис.

5.9.

Схема

строения

молекулы

мио-

часть

молекулы

ЯВЛЯСГСЯ

зина

двойной суперспиралыо.

06-

Указаны продольные размеры фрагментов и их „ »

молекулярные веса. ЩИИ

МОЛеКуЛЯрНЫИ

ВвС МИО-

зина

составляет около

5-Ю

степень а-спиральности велика (примерно

58%).

Миозин

со-

держит большое число кислотных

основных аминокислотных

остатков.

При

образовании толстой нити молекулы миозина агреги-

руют,

по-видимому,

результате

электростатических взимодей-

ствий

между

их

ЛММ-«хво-

стами». Схема агрегации

показана

на рис. 5.10. «Го-

ловки», выступающие

из

толстой нити, образованы

фрагментами

S-1

тяжелого

меромиозина. Детальная

мо-

дель

структуры

миозиновой

нити

предложена

работах

[22,

23].

Сфероидальные мономе-

ры G-актина имеют

диа-

метр около

55 А и

молеку-

лярный

вес 46

000—47

000.

Степень а-спиральности

около

30%.

Полимеризация

G-актина

F-актин проис-

ходит

участием

АТФ

Рис.

5.10.

Схема

агрегации

молекул

П(G-ЭКТИН

— АТФ)

ч=*=

миозина.

F-актин

—

пАДФ

+ пФ„.

Полимеризация

растворе идет

присутствии- солей,

частно-

сти,

для

этого требуются ионы Mg

. Скорость дефосфорилиро-

вания

АТФ

зависит

от

начальной концентрации G-актина

и рас-

тет пропорционально

ее

третьей

или

четвертой степени

[24].

Количественная теория кооперативной спиральной агрегации

актина предложена

работе

[25].

5.2. СТРУКТУРА МЫШЦЫ И МЫШЕЧНЫХ БЕЛКОВ

223

В тонких нитях наряду с актином содержатся в меньших ко-

личествах

другие

белки —

тропомиозин

тропонин.

Тропомио-

зин

имеет молекулярный вес около 70 000 и состоит из длинных

молекул — длина их около 450 А, а отношение длинной и корот-

кой

осей эффективного эллипсоида превышает 20. Степень

а-спиральности тропомиозина около 90%. Тропонин —

глобу-

лярный

белок, состоящий из

трех

компо-

нентов с молекулярными весами 37 000,

23 000 и 19 000.

Тонкая

нить представляет собой ком-

плекс актина с тропомиозином и тропо-

нином.

Как уже сказано, сферы G-акти-

на

объединены в двойную спираль. Со-

гласно схеме, предложенной Эбаши [26],

длинные молекулы тропомиозина распо-

лагаются вдоль каждой борозды двой-

ной

спирали,

глобула

тропонина поме-

щается вблизи молекулы тропомиозина

(рис.

5.11) [26].

Пока

что мы располагаем скудными

Сведениями о

других

белках миофиб-

рилл — об а- и

fi-актинине

М-белке.

Их

молекулярные веса равны соответствен-

но

100 000, 70 000 и 155 000. Наряду с

тропомиозином и тропонином эти белки

играют, по-видимому,

регуляторную

роль [271. Дальнейшие подробности, от-

носящиеся

к химическим и физико-хи-

мическим свойствам мышечных белков,

приведены в монографиях [20, 28, 291.

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 рент-

генографическом исследовании прекрасные дифракционные кар-

тины с

двумя

типами рефлексов, обусловленных соответственно

структурой

фибрилл и их упаковкой. Жидко-кристаллические

структуры

анизотропны, они способны к полиморфным превра-

щениям,

т. е. в них возможны фазовые переходы. Выше были

рассмотрены жидко-кристаллические свойства биологических

мембран (§ 3.9). Эти свойства в значительной степени опреде-

ляют биологическую функциональность мембран. Есть основания

думать,

что жидко-кристаллические свойства сократительных

белков существенны для сокращения мышцы.

Световая и электронная микроскопия позволила установить

основные структурные особенности мышечного сокращения.

Рис.

5.11. Схема строе-

ния

тонкой

нити.

224

ГЛ.

МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

При

сокращении (укорочении) мышцы происходит сужение

I-полос

без

изменения протяженности А-полосы. Z-диски

дви-

жутся

навстречу

друг

другу.

конечном

счете

I-полосы исче-

зают

вовсе,

а в

центре саркомера появляется уплотнение.

Объем саркомера

при

укорочении меняется мало, следовательно,

он

становится толще.

Очевидно, вещество А-полосы более жестко,

чем

вещество

I-полос. Наблюдаемые изменения оптической плотности можно

Рис.

5.12.

Скользящая модель.

а — нормальное строение волокна, б — растянутое волокно,

— сильно укороченное волокно.

Справа — поперечное сечение.

объяснить только, предположив,

что в

укорачивающемся сарко-

мере происходит перемещение вещества. Электронная микро-

скопия

действительно показывает,

что при

укорочении толстые

нити

вдвигаются

между

тонкими

саркомер укорачивается

подобно подзорной

трубе.

Это

— скользящая модель мышцы,

развитая

Хаксли

(см.

[28]).

Взаимодействие

толстых

тонких нитей происходит посред-

ством

«головок»

миозина, образующих мостики, соединяющие

нити.

Мостики, таким образом, состоят

из

ТММ.

нормальном

физиологическом состоянии мышцы перекрывание

между

тол-

стыми

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).

5.2. СТРУКТУРА МЫШЦЫ И МЫШЕЧНЫХ БЕЛКОВ 225

Миозин

ответствен за анизотропию А-полосы: в

1-полосах

миозина нет и, следовательно, тонкие нити сами по себе анизо-

тропии не создают.

В скользящей модели каждый мостик работает циклически.

Мостик

толкает или тянет актин к центру А-полосы на рас-

стояние порядка

50—100

А, затем он отщепляется от актина

присоединяется к актину вновь в

другой

его точке, находив-

шейся вначале на большем удалении от центра А-полосы. Да-

лее цикл повторяется. Непрерывное движение актиновых нитей

происходит в

результате

асинхронного действия мостиков [30].

Этот механизм

требует

структурной полярности в расположе-

нии

сократительных белков в толстых и тонких нитях. Дей-

ствительно, все молекулы миозина ориентированы в одну сто-

рону в одной половине толстой нити и в

другую

— во второй

половине [31]. Найдено также, что все мономеры актина, лежа-

щие вдоль двойной спирали, имеют одинаковую полярность,

а полярности тонких нитей, выходящих из Z-мембраны в разные

стороны, противоположны [31].

Изучение мышечных волокон методом рассеяния рентгено-

вых лучей под малыми углами полностью подтверждает резуль-

таты электронно-микроскопических исследований и существенно

их дополняет [18, 32, 33]. Поскольку объем саркомера при уко-

рочении не меняется, можно было ожидать, что расстояния

между

нитями

будут

обратно пропорциональны корню квадрат-

ному из длины саркомера. Измерения экваториальных рентге-

новских рефлексов

дают

линейную зависимость

между

этими ве-

личинами, что свидетельствует об эффективном «удлинении»

мостиков при укорочении мышцы, т. е. о гибкости

«головок»

ТММ.

другой

стороны, дифракция рентгеновых лучей под

малыми углами подтверждает неизменность длины самих тол-

стых и тонких нитей.

В работе [34] методом рентгенографии показано, что при

сокращении мышцы происходит радиальное перемещение мос-

тиков.

Толкающее или тянущее усилие, развиваемое мостиком, мо-

жет быть лишь результатом конформационного превращения.

Такое превращение может выражаться либо в активном изме-

нении

угла,

под которым

«головка»

ТММ присоединена к тон-

кой

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 из-

менения

угла,

под которым мостик присоединен к тонкой нити

в последовательные моменты времени [30].

При

окоченении мышцы (rigor) возникают жесткие и непо-

движные связи

между

мостиками и тонкими нитями. Спиральная

226

ГЛ. 5. МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ

периодичность нарушается, период 429 А исчезает и заме-

няется слоевыми линиями, отвечающими

360—380

А.

Вместе

с тем период 143 А сохраняется. Эти явления также можно

объяснить изменениями в рас-

положении мостиков при со-

хранении

структуры

толстой

нити.

Описанная

структурная

картина, находящаяся в пол-

ном

согласии со скользящей

моделью, может считаться на-

дежно установленной. Физиче-

ская

теория мышечного сокра-

щения

должна основываться на

скользящей модели как на

опытном факте. Одновременно

теория, задачей которой явля-

ется молекулярное истолкова-

ние

особенностей мышечного

сокращения,

должна наряду со

структурными данными учиты-

вать и объяснять

результаты

биохимических и биофизических (физиологических) экспери-

ментальных исследований. Структурные, биохимические и био-

физические исследования — три источника информации о строе-

нии

и функции мышц.

§ 5.3. БИОХИМИЯ И МЕХАНИКА МЫШЦЫ

Многолетние работы биохимиков позволяют сегодня опреде-

лить важнейшие химические процессы в мышце. Основой биохи-

мии

мышцы является уже упомянутая выше (см. стр. 218) фер-

ментативная активность миозина (его способность катализиро-

вать гидролитическое расщепление АТФ), открытая Энгельгард-

том и Любимовой. Схема этой важнейшей реакции следующая

(М

— миозин):

Рис. 5.13.

Изменение

угла

между

мостиком

тонкой

нитью.

/ и 2—последовательные моменты движе-

ния;

—актин,

М—миозин.

М + АТФ

М —АТФ

М.

/АДФ

М + АДФ + Ф„.

Эта реакция сильно зависит от состава ионной среды и от при-

сутствия

двухвалентных

катионов. В мышце она реализуется

при

физиологическом значении рН 7,4. Для реакции in

vitro

необходимо присутствие ионов Са

, она реализуется опти-

мальным образом при концентрации Са

, равной или несколько

превышающей концентрацию АТФ. Ионы Mg

ингибируют

АТФ-азную активность миозина in

vitro.

5.3.

БИОХИМИЯ

МЕХАНИКА МЫШЦЫ

227

В мышце миозин функционирует при взаимодействии с акти-

ном

(как уже сказано, через мостики ТММ) в актомиозиновом

комплексе. В этих условиях ионы Mg

оказывают активирую-

щее действие. Для АТФ-азной активности in

vivo

необходимы

кальций, и магний (см. работу [35]).

Возбуждение (активация) скелетной поперечно-полосатой

мышцы происходит в

результате

передачи на нее нервного им-

пульса. Сокращение может быть инициировано и искусственным

электрическим импульсом. По-видимому, действие импульса

приводит к увеличению концентрации ионов Са

, взаимодей-

ствующих с белками фибриллы. Каждая фибрилла окружена

сложной системой продольных и поперечных тонких сосудов —

саркоплазматическим ретикулумом. С помощью меченых ато-

мов Са

доказано, что подача нервного или электрического им-

пульса вызывает

выход

ионов Са

из ретикулума в жидкость,

омывающую белковые нити, — в саркоплазму. Это — конечный

результат

деполяризации определенных участков мышечной мем-

браны ацетилхолином, выделяемым в синапсах (см. стр. 206)

[28, 36]. Молекулярный механизм выделения кальция пока не-

известен. Концентрация свободных ионов Са

в релаксирован-

ной

мышце очень мала, вероятно меньше 10~

—10"

М. При

активации она повышается на 2—3 порядка.

В течение длительного времени не удавалось доказать пря-

мыми опытами пропорциональность

между

производимой мыш-

цей работой и расходом АТФ вследствие АТФ-азной активности

актомиозина. Дело в том, что АТФ немедленно образуется вновь

из

АДФ в

результате

отщепления фосфатной группы от фосфо-

креатина

=C—NH—РО3-

С—N—CH

—COg

Наряду с приведенной выше реакцией идет реакция Ломанна

Креатинкиназа

АДФ + Фосфокреатин

(

*~ АТФ + Креатин.

Еще недавно в ряде работ АТФ в мышце рассматривалась

всего лишь как пластификатор или как вещество,

расходуемое

не при сокращении мышцы, а при ее релаксации, т. е. при воз-

вращении в состояние покоя (см. [36]). Однако в экспериментах

последних лет непосредственно доказано, что АТФ расщепляется

именно

при сокращении мышцы. Был найден реагент — фторди-

нитробензол — ингибирующий креатинкиназу и, следовательно,

прекращающий реакцию Ломанна. Вместе с тем фтординитро-

бензол не вляет на сокращение мышцы и на первую реакцию.

помощью этого реагента удалось установить, что АТФ рас-

228 ГЛ. 5. МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

щепляется как при

одиночном

сокращении

мышцы (twitch), так

при тетаническом (столбнячном)

сокращении.

другой

сто-

роны,

можно заблокировать йодацетатом обратную реакцию об-

разования фосфокреатина из креатина.

Тогда

расход

фосфо-

креатина

характеризует

количество АДФ, образующееся при

сокращении.

Доказано, что количества расщепляемой при сокра-

щении

мышцы АТФ

соответствуют

убыли фосфокреатина в ре-

акции

Ломанна (см. [20, 28, 29]).

Релаксация мышцы ранее связывалась с действием некоего

фактора, названного фактором

Марша

—

Бендолла.

В дальней-

шем выяснилось, что этот фактор, действие которого наблюда-

лось и in

viirv,

состоит из фрагментов саркоплазматического ре-

тикулума

и релаксация определяется

уходом

ионов Са

в ре-

тикулум

из саркоплазмы.

Таким образом, ионы Са

регулируют

сократительные про-

цессы в мышце. По-видимому, это происходит при непосред-

ственном участии тропонина и тропомиозина (см. стр. 223). В от-

сутствие

Са

тропонин в комплексе с тропомиозином ингиби-

рует

взаимодействие актина с миозиновыми мостиками. Каль-

ций,

поступивший в саркоплазму, связывается с тропонином и

прекращает его ингибирующее действие. Следовательно, кальций

играет роль дерепрессора и переводит тонкую нить из неактив-

ного в активное состояние [26, 37, 38, 205].

В работе [39] предложена теоретическая модель, объясняю-

щая

кинетику развития натяжения в мышечном волокне при на-

ложении на его мембрану деполяризующего напряжения. Депо-

ляризация

вызывает

переход

ионов Са

из

ретикулума

в сарко-

плазму. Эта работа изложена в § 5.8.

Биохимия мышцы — обширная и сложная область. Здесь мы

ограничиваемся лишь самыми краткими сведениями, необходи-

мыми для понимания физики мышечного сокращения. Мы еще

вернемся к этим процессам при рассмотрении биоэнергетики

мышцы (подробное изложение биохимии мышцы см. в [20, 40]).

Обратимся теперь к

другой

группе фактов — к механическим

свойствам мышцы, изученным в серии многолетних биофизиче-

ских работ

Хилла

(см. [41]), а также ряда

других

авторов.

Термин «сокращение» употребляется применительно к мышце

двух

смыслах.

Изометрическое

сокращение

происходит в мыш-

це при ее фиксированной длине, причем развивается напряжение

без укорочения. Это напряжение можно измерить. Наоборот,

изотоническое

сокращение

означает

укорочение

мышцы при по-

стоянной

нагрузке. В этом

случае

мышца производит

работу,

по-

дымая

груз.

Экспериментальная методика точных измерений зависимости

скорости изотонического сокращения от нагрузки, измерений на-

пряжения,

развиваемого при изометрическом сокращении, а так-

5.3.

БИОХИМИЯ

МЕХАНИКА

МЫШЦЫ

229

же методика калориметрических измерений теплообмена мышцы

при

ее

сокращении была развита

классических работах Хилла

[42—45]

и в

дальнейшем

не раз

усовершенствовалась.

На

рис.

5.14

изображена схема установки, применяемой

исследо-

ваниях мышцы

[46].

Основным устройством служит рычаг,

к од-

ному концу которого легкой цепью прикреплена мышца

М. Дру-

гой конец мышцы закреплен. Сокращение стимулируется элек-

тродами

Э. При

изучении одиночных изотонических сокращений

мышца

нагружается

положении

Р.

Напряжение определяется

Ф.

\С

На

tfamoffny/о

трубку

На

катодную

трубку

Рис.

5.14.

Схема установки

для

изучения сокращения мышцы.

Объяснение в тексте.

с помощью датчика, находящегося

положении

А. При

измере-

нии

изометрического напряжения датчик переводится

положе-

ние

Б.

Изотоническое сокращение определяется

по

движению

другого

конца рычага, фиксируемому

помощью фотоэлемента

Ф.

Стопор

С,

контролируемый электромагнитом

ЭМ,

применяет-

ся

для

того, чтобы поддерживать желаемую длину мышцы

или

освобождать изометрически сокращаемую мышцу

до

желаемой

степени.

Опыты

портняжной мышцей лягушки показывают,

что

первые

15 мс

после возбуждения одиночного изометрического

сокращения

происходит

ряд

изменений, определяемых процессом

выделения ионов Са

из

саркоплазматического ретикулума.

За-

тем напряжение начинает расти, достигая своего максимума

че-

рез

170 мс (при 0°С).

оно

падает, исчезая полностью

бо-

лее

чем

через

1 с. При

изотоническом сокращении укорочение

убывает

ростом

груза

Р; его

максимум достигается

тем

рань-

ше,

чем

больше этот груз. Затем происходит релаксация

исход-

ному состоянию,

тем

более длительная,

чем

меньше груз. Разви-

тие изотонического напряжения

мышце

следует

практически

той

же

временной кривой,

что и

развитие изометрического

на-

пряжения.

230

ГЛ. 5.

МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ

Хилл установил эмпирически основное характеристическое

уравнение механики мышечного сокращения [42]. Оно связывает

стационарную скорость изотонического сокращения, укорочения,

с нагрузкой Р и имеет гиперболическую форму

Ро-Р

P + a

ИЛИ

р =

ЪР

— аУ

V + Ь

(5.19)

здесь

— максимальная сила, развиваемая мышцей, или мак-

симальный

груз, удерживаемый мышцей без ее удлинения, Ь и

а — константы. При Р=0 скорость

укорочения максимальна

= b-^-.

(5.20)

Напротив,

при Р — Р

находим

= 0. При Р > Ро мышца уже не

укорачивается, но удлиняется. Это

удлинение не

следует

уравне-

1,5 2,0 2J 3,0 3,5мш нию

(5.19).

Обер предложил

другое

эмпири-

ческое уравнение [47]

0,75 1,0 Ц5

Рис.

5.15. Зависимость

макси-

мальной

силы от длины

сарко-

мера.

Сплошная

линия—данные [48, 491,

пунктир

—данные 150]. Рц измерено

относительных единицах.

V==flln-

(5.21)

где В и Pi — константы. Pi имеет

смысл малой «внутренней силы тре-

ния»,

препятствующей укорочению.

Мы

будем

исходить из уравнения Хилла, сама простота ко-

торого заставляет

думать,

что оно отражает сравнительно про-

стые физические закономерности, лежащие в основе сокращения.

Опыт показывает, что константа Ь, имеющая размерность

скорости,

быстро возрастает при увеличении температуры. Так,

при

нагревании на 10° вблизи 0°С b увеличивается вдвое. Кон-

станта а составляет от

0,25Я

до 0,4Р

- Следовательно,

Ушах

больше Ъ в

2,5—4

раза.

Уравнение Хилла (а также уравнение Обера) справедливо

лишь

в условиях стационарного укорочения, идущего с постоян-

ной

скоростью. Вместе с тем область его применения ограничи-

вается длинами мышцы, близкими к физиологическим. Дело в

том, что максимальная сила Р

зависит от длины саркомера —•

от степени его укорочения или удлинения. На рис. 5.15 приве-

дены результаты измерений зависимости Р

от относительной

длины саркомера в отдельном мышечном волокне по данным

работ [48, 49] и по более новым данным [50]. Эта зависимость

легко объясняется на основе скользящей модели. Р

имеет наи-