WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
MOLECULAR MOTORS МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МОТОРЫ Part 2. Molecular Часть 2. Молекулярные основы mechanisms of biological motility биологической подвижности A. N. TIKHONOV..

‚ „‰‡‚ ‚ The structure and mecha... ‚‡ nisms of the functioning of two motor proteins, myosin and kinesin, are В предыдущей статье было описано устройство и considered to illustrate рассмотрены механизмы действия двух уникальных the main principles of молекулярных моторов: протонной АТРсинтазы и operation of the molecular флагеллярного мотора бактерий. Движущая сила, вращающая роторы этих моторов, возникает за счет motors which provide a разности электрохимических потенциалов ионов cell motility and targeted водорода на мембране, в которую встроены моторы.

vesicle transport.

Среди механохимических преобразователей энергии, распространенных в живой природе, исключительно важную роль играют также линейные моле‡ кулярные моторы – белковые машины, которые ‡ ‡· движутся вдоль полимерных нитей, используя в качестве “топлива” молекулы АТР. К таким моторам ‡ ‡ – относятся белки актомиозинового комплекса, вхо‡ ·дящего в состав сократительного аппарата мышц.

‚, ‚‚ ‡ Движение микроворсинок (жгутиков и ресничек) определяется взаимодействием другой пары мотор‡ ‡‚ных белков – динеина и тубулина. Смещение голо ‚вок динеина относительно тубулиновых микротру ‡ „‡ бочек белков обеспечивает волнообразные движения микроворсинок (см. подробнее [1–3]). Кинезин и ‚.

другие родственные ему белки (некоторые формы миозина) работают в клетке как переносчики органелл (митохондрии, лизосомы) и сравнительно крупных частиц. В данной статье мы рассмотрим работу линейных молекулярных моторов на примере двух механохимических белков: миозина и кинезина. Среди большого числа моторных белков миозин скелетных мышц и кинезин из клеток мозга являются наиболее изученными молекулярными моторами. Несмотря на то что функции миозина и кинезина в клетке различаются, они удивительно похожи по своему строению и механизмам действия.

‰ fl Скелетные мышцы состоят из многоядерных клеток, связанных возбудимой плазматической мембраной, по которой приходит нервный импульс, инициирующий сокращение мышцы [3]. Мышечные клетки состоят из множества сократительных волокон – миофибрилл, расположенных параллельно друг другу. Структурно-функциональными единицами миофибрилл являются саркомеры, которые... ‡ © ‚.., располагаются вдоль мышечных волокон через ветствует участку саркомера, где толстые нити не каждые 2,3 мкм. На электронно-микроскопических перекрываются с тонкими нитями.

снимках продольного среза мышечной ткани видТолстые нити, имеющие диаметр 15 нм, состоят но, что саркомер состоит из параллельных рядов главным образом из молекул миозина. Тонкие нити толстых и тонких нитей. Взаимное расположение имеют диаметр 9 нм. Они содержат белки трех типов:

толстых и тонких нитей саркомера схематически актин, тропомиозин и тропониновый комплекс. Еспоказано на рис. 1, а. Вертикальные темные линии Z ли посмотреть на поперечный срез саркомера в обласоответствуют специальным структурным белкам, сти, где соседствуют толстые и тонкие нити (темный разделяющим миофибриллы на саркомеры. Между участок полосы А), то можно увидеть, что каждая ними видны горизонтальные нити сократительного тонкая нить окружена тремя толстыми нитями, а аппарата. От Z-линий отходят тонкие нити, котокаждая толстая нить окружена шестью тонкими рым на электронно-микроскопических снимках сонитями (рис. 1, б). Толстые и тонкие нити взаимоответствуют светлые полосы I. В центральной части действуют друг с другом с помощью поперечных саркомера расположены толстые нити, которым сомостиков длиной около 13 нм, которые через регуответствуют темные полосы А. В середине каждой лярные промежутки выходят из толстых нитей и заполосы А видна более светлая полоса Н. Наличие полняют щели между соседними толстыми и тонкидвух темных участков полосы А определяется тем, ми нитями.

что в этих зонах толстые нити перекрываются с тонПри сокращении мышцы ее длина укорачиваеткими нитями. Более светлая полоса (зона Н) соотся на одну треть. Как это происходит, стало понятно в начале 50-х годов, когда Эндрю и Хью Хаксли, а Р. Нидергерк и Ж. Хэнсон на основании исследоваZHZ H Z ния структуры мышечных волокон методами рентгеноструктурного анализа, оптической и электронной микроскопии независимо пришли к модели скользящих нитей. В основе этой модели лежат следующие факты:

• при сокращении мышцы длины толстых и тонких нитей саркомера не изменяются;

• саркомер укорачивается за счет перекрывания AI A толстых и тонких нитей, которые скользят друг отб носительно друга во время сокращения мышцы.

Это проявляется в том, что при сокращении мышцы полосы H и I укорачиваются (рис. 1, в);

• сила, развиваемая мышцей, создается в процессе движения соседних нитей.

Скольжение толстых и тонких нитей друг относительно друга совершается за счет энергии, выделяев мой при гидролизе АТР до ADP и неорганического фосфата (Pi). Открытие АТРазной активности миозина было сделано в 1939 году супругами В.А. Энгельгардтом и М.Н. Любимовой, которые показали, что препараты миозина способны расщеплять АТР на ADP и Pi (АТР + H2O ADP + Pi). Ими было также показано, что добавление АТР к белковому F-актин препарату, состоящему из нитей миозина, влияет на его механические свойства. Вскоре после этого Миозин А. Сцент-Дьорди (удостоенный впоследствии Нобелевской премии) установил, что в растворе актин и миозин образуют так называемый актомиозиноРис. 1. Схематическое изображение строения саркомеров мышечного волокна: а – продольный вый комплекс. Примечательно, что при отсутствии разрез, б – поперечный разрез в области пересеактина миозин плохо гидролизует АТР. В присутстчения толстых и тонких нитей, в – изменение дливии актина АТРазная активность миозина возрастаны саркомера в результате движения толстых и тонких нитей ет приблизительно в 200 раз.



, ‹6, го стержня (рис. 2, а), выполняют моторные функ„ ‚‡ ции – в ходе работы сократительного аппарата наклон головок миозина относительно его хвоста Элементарной структурной единицей толстых изменяется, в результате чего обеспечивается взаинитей саркомера является молекула миозина. Миомодействие миозина с актином.

зин скелетных мышц (миозин класса II) является Моторный фрагмент миозина (S1) непосредстдовольно крупным белком, состоящим из шести венно взаимодействует с тонкой актиновой нитью.

полипептидных цепей. Эта молекула представляет Фрагмент S1 включает в себя каталитический центр, собой димер, образованный из двух сплетенных друг с которым связывается молекула АТР и где происс другом одинаковых мономеров миозина (рис. 2, а).

ходит ее гидролиз до ADP и Pi. В ходе реакции гидКаждый из этих мономеров состоит из одной тяжеролиза АТР выделяется энергия, за счет которой лой цепи (молекулярная масса 230 кДа) и двух легработает миозин. В 1993 году Айвэн Рэймент и его ких цепей (молекулярная масса 20 кДа). Тяжелая коллеги методом рентгеноструктурного анализа усцепь миозина неоднородна по своему строению. На тановили пространственное строение головки миоодном конце ее полипептидная цепь свернута в визина. Согласно их данным, фрагмент S1 представде глобулы, образующей своеобразную “головку” ляет собой глобулу размером 16,5 6,5 4 нм. На миозина (фрагмент S1). С помощью более тонкой картине трехмерного строения S1, полученной с шейки (фрагмент S2) головка миозина соединяется разрешением 2,8, четко видны оба функциональс длинным хвостом, который образован протяженно важных участка: место посадки АТР и выступаюной полипептидной цепью, уложенной в виде вытящий наружу участок полипептидной цепи, который нутой -спирали. Хвосты двух мономерных единиц непосредственно взаимодействует с актином. Врамиозина сплетены друг с другом и образуют вытящательная подвижность головки миозина обеспенутый стержень длиной 170 нм и толщиной 2 нм.

чивается за счет шарниров, которые представляют Две подвижные головки, выступающие вбок из этособой гибкие участки полипептидной цепи. Один из них находится в месте соединения фрагментов SS1 (моторный участок) а и S2, другой расположен между фрагментом S2 и хвостом миозина (рис. 2, а). Наличие молекулярных S2 (регуляторный участок) шарниров дает возможность фрагменту S1 присоединяться и отсоединяться от нити актина, а также изменять свою ориентацию в ходе сократительного цикла (рис. 3, 4).

170 нм Функционально важным звеном молекулы миозина является ее регуляторный участок, располоАктин Тропомиозин женный в области шейки, соединяющей каталиб 4 нм тическую головку с хвостом молекулы миозина.

Шейка образована -спиралью полипептидной цепи длиной 8–9 нм, которая окружена двумя легкиTnI TnT TnC ми полипептидными цепями S2. Шейка, по сути деТропониновый ла, является рычагом, через который структурные комплекс в изменения в каталитическом центре передаются хвостовой части молекулы миозина. Легкие цепи придают этому рычагу необходимую жесткость и выполняют важную роль в регуляции каталитической активности миозина.

Молекулы миозина в мышцах работают не поодиночке, а образуют сравнительно толстые жгуты из сплетенных друг с другом димеров. В саркомерах 4 нм поперечнополосатых мышц каждая толстая нить 10 нм состоит приблизительно из 300 сплетенных димеров миозина. С обоих концов толстой нити выступают многочисленные подвижные мостики, кото20 нм Миозин II Миозин I Миозин V рые могут связываться с окружающими их тонкими нитями актина (рис. 1, б).

Рис. 2. Строение молекулы миозина (а) и тонкой Тонкие нити мышечных волокон состоят из ненити (б). В расслабленной мышце тропомиозин скольких белков (рис. 2, б). Основной составляюпрепятствует взаимодействию головки миозина с щей тонких нитей является актин, присутствующий актином. Внизу (в) схематически показано разлив них в форме вытянутых полимерных нитей. Эти чие геометрических характеристик моторных участков молекул миозина трех разных типов нити образованы из мономеров глобулярного белка... ‡ 2. fl ‚ ·„ ‰‚ “Шарниры” 16,5 нм а белок TnT – с тропомиозином. Белок TnC принадАктин лежит к классу регуляторных белков, называемых кальмодулинами. Этот белок активируется при его взаимодействии с ионами Ca2+. Тропониновые комплексы расположены вдоль тонкой нити через реATP ADP гулярные интервалы, длина которых составляет Pi S38,5 нм, что соответствует длине молекулы тропомиозина.

Удар ‡ ‡ „ ‡fl Рис. 3. Схема, показывающая изменение полоМолекулы миозина и актина, взаимодействуя жения головки миозина (S1) относительно тонкой нити в ходе структурных перестроек актомиози- друг с другом, образуют актомиозиновый комплекс, нового комплекса, которые приводят к возникнов котором и разыгрываются основные события, вению силы, тянущей хвост миозина приводящие к созданию силы, вызывающей сокращение мышцы. В покоящейся мышце миозиновые мостики не проявляют ATPазной активности, поскольку тропомиозин и белки тропонинового компPi ADP лекса препятствуют взаимодействию головок миозина с нитью актина. Активация актомиозинового комплекса инициируется ионами Ca2+. Концентра5 S ция ионов Ca2+ в цитоплазме клеток покоящейся ADP ADP (расслабленной) мышцы понижена (<0,1 мкМ).





Это обусловлено работой кальциевого насоса сарPi коплазматического ретикулума, который использует энергию молекул АТР для перекачивания ионов ADP Ca2+ из цитоплазмы в специальные цистерны. Под действием нервного импульса ионы Ca2+ выходят из ADP кальциевых цистерн и связываются с TnC, регуляторным белком тропонинового комплекса. В реPi зультате этого запускается цепь конформационных превращений остальных белков тропонинового 2 ATP комплекса, что в конечном итоге вызывает изменение положения тропомиозина относительно нити ADP ATP F-актина. Таким образом, благодаря последовательным структурным перестройкам белков тонкой Pi нити (тропонин тропомиозин актин), инициированным повышением концентрации ионов Ca2+, головка миозина приобретает возможность Рис. 4. Цикл структурных превращений актомиозинового комплекса, приводящих к смещению связываться с актином.

молекулы миозина вдоль нити актина Тянущая сила, которая вызывает движение молекул миозина вдоль нитей актина, возникает за (G-актин), имеющего молекулярную массу 42 кДа.

счет структурных изменений, происходящих в катаВ растворе мономеры G-актина могут связываться литическом центре миозина после гидролиза моледруг с другом, образуя вытянутые линейные поликулы AТP. Работа миозина напоминает функционимеры (F-актин) диаметром 6–7 нм, называемые рование механического устройства, в котором микрофиламентами. Тонкие нити сократительного головка и шейка миозинового мостика выполняют аппарата мышц, с которыми взаимодействуют миороль своеобразного рычага, позволяющего сущестзиновые мостики, наряду с актином содержат также венно увеличить амплитуду смещения миозинового другие белки – тропомиозин и три белка тропонихвоста. Этот рычаг одним из своих концов опирается нового комплекса (рис. 2, б), которые играют решана актиновую нить, другой конец рычага соединен с ющую роль в регуляции взаимодействия миозина с хвостом молекулы миозина (рис. 3). После гидролиактином. По своей массе они составляют приблизиза АТР и диссоциации Pi и ADP из каталитического тельно треть от всей массы тонких нитей. Молекула центра в головке миозина происходят структурные тропомиозина состоит из двух вытянутых -спира- перестройки, в результате которых зацепленная за лей длиной около 38 нм, инкрустированных в го- нить актина головка миозина поворачивается на раздо более протяженную нить F-актина. Тропони- угол 30–40°, увлекая за собой хвост миозина (см.

новый комплекс состоит из трех белков (TnC, TnI и рис. 3). Так возникает сила, вызывающая скольжеTnT). Белок TnI непосредственно связан с актином, ние толстых нитей миозина вдоль нитей актина.

, ‹6, Структурные перестройки, которые происходят хвост миозина, который соединен с мостиком с пов каталитическом центре фрагмента S1, характери- мощью “шарнирного” сочленения. Благодаря прозуются сравнительно небольшими смещениями дольному смещению хвоста миозина происходит атомов в активном центре. Однако эти изменения сокращение длины саркомера. После смещения говызывают значительное перемещение хвоста мио- ловки миозина, инициированного диссоциацией зина (3–5 нм для миозина скелетных мышц). Это фосфата, молекула ADP диссоциирует из каталитипроисходит в результате того, что рычаг, передаю- ческого центра, а ее место занимает новая молекула щий смещение от каталитического центра к хвосту АТР (переход “состояние 7” “состояние 1”).

миозина, имеет неравные плечи – точка опоры рыЭто превращение сопровождается отсоединением чага находится существенно ближе к активному головки миозина от актина, завершающим цикл центру моторного фрагмента S1, чем конец шейки структурных преобразований, происходящих в акмиозинового мостика, соединяющийся с хвостом тивном центре миозина. В результате многократно миозиновой нити (см. рис. 3). Интересно, что у моповторяющихся циклов гидролиза АТР возникает лекул миозина, принадлежащих различным класнаправленное скольжение нитей миозина и актина сам, амплитуда смещения хвоста за один рабочий друг относительно друга.

шаг может заметно отличаться. Это определяется тем, что длина рычага у разных форм миозина неодинакова (рис. 2, в). Так, например, у молекул ми- ‡‚‡fl “‰‚‰‡‡fl ‰‚‡fl ‰fl” ‡ озина V, выполняющего функции транспортного белка, шейка в несколько раз длиннее, чем у миозиВ мышечных волокнах молекулы миозина рабона скелетных мышц (миозина II). Поворот головки тают не индивидуально, а кооперативно, в составе миозина V на угол 30–40° приводит к смещению крупных макромолекулярных ансамблей. Как мы хвоста на расстояние 20 нм, что приблизительно в уже отмечали, в миофибриллах молекулы миозина пять раз больше рабочего шага миозина скелетных собраны в жгуты, из которых выступает множество мышц.

миозиновых мостиков в сторону нитей актина (см.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.