Молекулярная структура миофибрилл. Структура и функция основных белков миофибрилл миозина, актина, тропомиозина, тропонина

В мышечной клетке имеются миофибриллы — особым образом организованные пучки белков, располагающиеся вдоль клетки. Миофибриллы, в свою очередь, построены из белковых нитей

(филаментов) двух типов — толстых и тонких. Основным белком толстых нитей является миозин, а тонких — актин. Миозиновые и актиновые нити — главный компонент всех сократительных систем.

Электронно-микроскопическое изучение поперечных и продольных срезов мышц обнаружило строго упорядоченное расположение миоэиновых и актиновых нитей в миофибрилле. Функциональной единицей миофибриллы является саркомер — участок миофибриллы (длиной 2,5 мкм) между двумя Z-пластинками.

Саркомер включает пучок миозиновых нитей, серединой прикрепленных к М-пластинке (М-линия), и пучки актиновых нитей, прикрепленных к Z-пластинкам. Многие сотни саркомеров образуют миофибриллу.

Чередование в миофибрилле участков, содержащих толстые нити, с участками, содержащими тонкие нити (A-диски и I-диски), создает поперечную полосатость мышц.

Саркоплазма, вмещающая миофибриллы, пронизана между ними сетью цистерн и трубочек

эндоплазматического (саркоплазматического) ретикулума, а также системой поперечных трубочек, которые тесно контактируют с саркоплазматическим ретикулумом, но не сообщаются с ним.

СТРОЕНИЕ МИОЗИНОВЫХ НИТЕИ

Миозиновые нити образованы белком миозином. Миозин составляет почти половину всех белков скелетной мышцы. Молекула миозина содержит две идентичные тяжелые полипептидные цепи (молекулярная масса каждой 200 ООО) и четыре легкие цепи (молекулярная масса около 20 ООО). Каждая тяжелая цепь на большой части длины с С-конца имеет конформацию а-спирали, и обе спирали скручены друг с другом; эта часть молекулы имеет форму палочки. Противоположные концы каждой цепи (N-концы) имеют глобулярную форму, образуя ≪головки≫ молекулы. К каждой из головок нековалентно

присоединены по две легкие цепи.

Миозин катализирует гидролиз АТФ; это было установлено Энгельгардтом и Любимовой в 1939 г. Энергия гидролиза используется для сокращения мышцы. Значительно позднее выяснилось, что каталитический активный центр локализован в головках молекулы миозина. Открытие АТФазной активности миозина в высокой степени стимулировало исследования мышечного сокращения, поскольку

было первым прямым указанием на источник энергии для сокращения и на роль миозина в использовании этой энергии.

Палочкообразные хвосты молекул миозина могут соединяться друг с другом продольно, образуя пучки; головки выступают на поверхности пучка, выстраиваясь вокруг него по спирали. В области М-линии пучки стыкуются ≪хвост к хвосту≫. Так получаются миозиновые нити саркомера, каждая из которых содержит около 400 молекул миозина.

СТРОЕНИЕ АКТИНОВЫХ НИТЕЙ

В состав актиновых нитей входят белки актин, тропомиозин и тропонин. Основу нитей составляют молекулы актина. Актин — это глобулярный белок с молекулярной массой 43 ООО и шарообразными молекулами диаметром около 5 нм; такая форма актина называется G-актин (глобулярный актин). G-актин содержится и во многих немышечных клетках.

Молекулы G-актина могут нековалентно соединяться, образуя фибриллярный актин — F-актин. Форма молекул F-актина напоминает две нитки бус, скрученные друг с другом. В мышечных клетках весь актин находится в форме F-актина.

К F-актину могут присоединяться головки миозина, причем на каждой молекуле G-актина в F-актине есть центр связывания миозина. В результате такого взаимодействия в сотни раз увеличивается АТФазная активность миозина. Соединение F-актина с миозином называют актомиозином. Образование связей между миозиновыми и актиновыми нитями в саркомере имеет важное значение в процессе сокращения мышцы.

Молекулы другого белка актиновых нитей — тропомиозина — имеют форму палочек длиной 40 нм. Они располагаются вблизи желобков спиральной ленты F-актина, вдоль нее, причем каждая молекула тропомиозина соединена с семью молекулам G-актина, а концами примыкает к соседним молекулам тропомиозина.

Третий белок актиновых нитей — тропонин — имеет глобулярную форму; он построен из трех разных субъединиц. Тропонин нековалентно связан с тропомиозином и с актином; на каждую молекулу тропомиозина приходится одна молекула тропонина. Одна из субъединиц тропонина содержит Са-связывающие центры: эта субъединица по строению сходна с кальмодулином.

Тонкие нити прикреплены к Z-пластинкам, которые тоже представляют собой белковые структуры. Содержание миозина, актина, тропомиозина и тропонина в миофибриллах равно примерно 55, 25, 15 и 5 % соответственно.

Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления. Роль ионов кальция и других ионов в регуляции мышечного сокращения. Особенности энергетического обмена в мышцах; роль креатинфосфата.

Механизм сокращения поперечнополосатой мышечной ткани

1. Разряд мотонейрона. До сокращения мышцы концентрация ионов кальция в саркоплазме составляет 10-8 –10-7 моль/л.

2. Высвобождение нейромедиатора: из нервных окончаний ® ацетилхолин

3.Связывание АХ: связывается с холинорецепторами = никотинрецепторами (одновременно являются Nа-каналами, которые открываются) ® в цитоплазму ток ионов Nа (по градиенту концентрации и градиенту заряда)® потенциал ПМ от -80 мВ до +40 мВ =деполяризация мембраны: а)-активация потенциалзависимых Nа-каналов-®---потенциал действия по трубочкам Т-системы ---мышечное сокращение; б) активация потенциалчувствительных К-каналов (ионы К+ наружу) и потенциал покоя восстанавливается.

4. Генерация потенциала действия в мышечном волокне. Меняют конформацию медленные потенциалчувствительные Са-каналы ПМ = дигидропиридинчувствительные (a1-субъединица) ®Са каналы СР (=рианодиновые RyR): 4 п/п цепи с М.м.> 2 200 кДа,

активаторы: низкие (микромолярные) концентрации Са2+, АТФ. ЖК, кофеин, полиамины, ионы тяжелых Ме,

ингибиторы: рианодин, ионы Mg 2+, Са2+ в мили/М концентрации

5. Распространение деполяризации внутрь волокна по Т-трубочкам.

6. Высвобождение ионов Са из концевых цистерн СР и их диффузия к толстым и тонким филаментам. Передача сигнала от ПМ к мембране СР реализуется в разных типах мышц через химический тип и через конформационный тип передачи сигнала. Мембраны СР содержат Са-каналы и Са-АТФ-азу, которая активируется тем кальцием, что освобождается из ретикулума через Са-каналы и взаимодействует с регуляторными белками (ТнС, кальмодулин).

7. Связывание Са с ТнС, открывающее миозин-связывающие участки актина. Концентрация Са+2 10-6 - 10-5 моль/л необходима и достаточна для образования I комплекса ТнС- Са+2.

Связывание Са+2 изменяет пространственную структуру тропонина и комплекс реагирует с ТнI и ТнТ влияя на их взаимодействие с Тм, образуя II комплекс ТнС- 4Са+2- Тм

При изменении конформации Тн открываются активные центры F-актина, который взаимодействует с «головками» миозина, образует актомиозин, обладающий АТФ-азной активностью.

8. Образование поперечных связей между актином и миозином и скольжение тонких филаментов относительно толстых, сопровождающееся укорочением волокна. Актомиозин, гидролизуя АТФ, высвобождает энергию для мышечного сокращения, что обеспечивает продвижение актина по миозину. Каждая из головок генерирует маленькое тянущее усилие (несколько пиконьютонов) ® -усилия суммируются – мышца может развивать достаточно большие напряжения.

Расслабление

Для процесса расслабления требуется энергия в виде АТФ, Mg+2-Ca+2 - АТФ-аза, находящаяся в мембране СР, активируясь под действием карнозина и анзерина, используя энергию АТФ, начинают перекачивать ионы кальция из саркоплазмы в полость цистерн.

Вследствие этого: содержание Са+2 в саркоплазме падает ниже 10-7 моль/л; что ведёт к распаду комплексов I, II;

комплекс ТнС-4Са+2 утрачивает свой Са+2; тропонин I, реагируя с тропомиозином, подавляет дальнейшее взаимодействие миозиновой головки с F-актином; блокировка активных центров F-актина приводит к распаду актомиозина.

мышца расслабляется и её длина достигает исходной.