Механизм электромеханического сопряжения (теория мышечного сокращения)

Дополнительные белки тонких нитей

Главными дополнительными белками в составе тонких нитей являются тропомиозин и тропонин. Тропомиозин - это палочкоподобный, закрученный в виде спирали гетеродимер (состоит из a- и b-субъединиц), длина которого распространяется на 7 молекул G-актина. Поэтому вдоль тонкой нити каждые 7 пар остатков G-актина ассоциированы с двумя молекулами тропомиозина (рис.17.10), то есть одна молекула тропомиозина располагается в каждой из бороздок спирализованного F-актина.

В состоянии мышечного расслабления каждая молекула тропомиозина прикрывает центры связывания для миозина на 7 остатках G-актина. Тем самым поддерживается релаксация, поскольку актин не может взаимодействовать с миозином. В акт сокращения вовлечена активация тропонина, второго дополнительного белка тонких нитей. Тропонин тоже является гетеродимером. Он прикреплен к концу каждой молекулы тропомиозина и к актину. Тем самым посредством тропонина актин физически связан с тропомиозином (рис.17.10).

Конформационные изменения связующей молекулы, тропонина, обеспечивают закрытие и открытие места связывания миозина с актином и, таким образом, регуляцию мышечного сокращения. Одна из субъединиц тропонина, тропонин-С, является кальций-связывающим белком. Когда он связывает кальций, молекула тропонина подвергается такой конформационной перестройке, благодаря которой присоединенный тропомиозин отходит от места присоединения головки миозина к актину. В результате головка получает возможность присоединиться к актину и происходит сокращение.

Попробуем ещё раз суммировать те события, которые происходят на тонкой нити. До появления ионов Са²⁺ в саркоплазме тропомиозин прикрывает миозин-связующий центр на актине. Как только Са²⁺ появляется в саркоплазме, он связывается с тропонином-С. В результате происходят конформационные изменения в тропонине, которые обеспечивают перемещение прикрепленной молекулы тропомиозина глубже в бороздку спирали F-актина. Тогда открываются места связывания миозина на субъединицах G-актина, куда теперь могут прикрепляться головные части миозина. Удаление кальция из саркоплазмы приводит к восстановлению исходной конформации тропонина и тропомиозина. При этом взаимодействие между актином и миозином прерывается, и возникает состояние расслабления.

В покоящейся мышце места связывания для миозина на актине замаскированы, и миозин находится в высокоэнергетическом конформационном состоянии (М^*). Энергия гидролиза АТФ необходима, чтобы перевести миозин из низкоэнергетического (М) в высокоэнергетическое состояние. Это иллюстрирует уравнение 1:

(М-АТФ) «(М^*-АДФ-Ф_н) Уравнение 1

Когда в цитозоле увеличивается концентрация кальция, и места связывания миозина на актине демаскируются, - формируется актомиозиновый комплекс. Впоследствии от комплекса последовательно отщепляются Ф_н и АДФ, а миозин переходит в низкоэнергетическое состояние (уравнение 2,3). При этом происходит перемещение соответствующей тонкой нити к М-линии саркомера.

(М^*-АДФ-Ф_н) + А «(М^*-АДФ-А) + Ф_н Уравнение 2

(М^*-АДФ-А) «(М-А) + АДФ Уравнение 3

Этапы, приведенные в уравнениях 2 и 3, составляют молекулярный механизм движущей силы мышечного сокращения. Ещё раз подчеркнем, что источником энергии для этой движущей силы является АТФ. Гидролиз нуклеотида опосредует превращение низкоэнергетического конформационного состояния миозина в высокоэнергетическое. Актомиозиновый комплекс существует до тех пор, пока не происходит связывание АТФ. Присоединение АТФ к миозину - это экзергоническая реакция, результатом которой является отход головки миозина от актина (уравнение 4). То есть, АТФ необходим для мышечного расслабления, а в расслабленной мышце миозин находится в высокоэнергетическом конформационном состоянии. То, что конечный продукт уравнения 4 (М-АТФ) является первым участником уравнения 1, свидетельствует о том, что именно в этом месте завершается цикл сокращения.

(МА) + АТФ «(М-АТФ) + А Уравнение 4