еими ?-линиями сарко-мера.

36.1.1. Толстые филаменты

Общая структура сложного белка миозина показана на рис. 36.4. Палочковидная молекула миозина (из мышц кролика) толщиной около 2,4 нм и длиной 150 нм (?? 470 000) состоит из двух идентичных субъединиц с молекулярной массой около 200 000 каждая и четырех легких цепей, представленных гремя разными типами цепей. Каждая молекула миозина содержит две идентичные легкие цепи (?? -~ 18 000), которые отщепляются при действии 5,5'-дитио-бис-2-нитробензойной кислоты (ДТНВ) без утраты АТРаз-ной активности. При повышении рН отщепляются щелочные легкие цепи LC, (?? 25 000) и LC2 (?? 16 000). LCi сходна с LC2, но в области ?-конца имеет «дополнительно» 41 аминокислотный остаток; кроме того, цепи отличаются пятью аминокислотными остатками в области 8-членного ?-концевого фрагмента LC2. Каждая молекула миозина содержит либо две цепи LCb либо две цепи LC2, которые важны для АТРазной активности и для связывания актина. В изолированном виде обе цепи, LCi и LC2, могут быть

-Шм(|250ОТ)-

-НММ(35О000)'-

^6 000wm20 000)7

?: ?

2нм

(18 000)

всдооооооооооооооооо

HMM-S, 115 000 I

Р1Г"ПС11Н -

мио^иновыи стержень __ ~ (150 000)

гапаин--40 нм -

Рнс. 36.4. Схематическое изображение миозиновой молекулы. Расщепление трипсином приводит к образованию легкого меромиозина (LMM), на долю которого приходится большая часть миозинового стержня, и тяжелого меромиозина (НММ), состоящего из участка миозииового стержня, двух головок Si и легких цепей. При расщеплении папаином образуется почти целый миозиновый стержень, две головки Si, каждая из которых содержит полипептидную цепь (/), отщепляемую при действии ДТНБ, и одну щелочную легкую цепь (II).

36. мышца

1405

фосфорилированы по одному сериновому остатку. Фосфорилирование катализируется, по-видимому, специфической сАМР-зависи-мой протеинкиназой. Однако это фосфорилирование существенно только для функционирования миозина из гладких мышц. Миозины из медленных и быстрых мышц содержат разные наборы легких цепей. Длинная цепь миозина из быстрых мышц содержит один остаток №-метилгистидина, а соответствующая цепь из миозина, медленных мышц его не содержит. Головки миозиновой молекулы содержат ?-?-метил- и ?-?-триметиллизин. Как показано на-рис. 36.4, кратковременная обработка миозина протеиназами приводит к расщеплению молекулы в определенных участках и образованию двух фрагментов — легкого меромиозина (LMM) и тяжелого меромиозина (НММ). Последний включает две интактные головки субфрагмента Si.

Субфрагмент Si, содержащий щелочные легкие цепи, обладает АТРазной активностью. Свойства миозиновой АТРазы необычны. В различных условиях она функционирует либо как К+-АТРаза, либо Mg2+-ATPa3a, либо Са2+-АТРаза. В отсутствие других белков сократительной системы она проявляет свойства K+,Mg2+-ATPa3bi. Кинетика гидролиза АТР включает по крайней мере семь различных интермедиатов и соответствующих активационных состояний. Рассмотрение этой кинетики, даже в упрощенном варианте, позволяет оценить роль миозина (М в приведенном ниже уравнении) & сократительном процессе:

/ 2 з

М + АТР -<—*- М-АТР <—ь M-ADPPj ч=»: ? -f- ADP -f- Pi

AG (кал/моль): —12 000 —1500 +5000

ATP присоединяется к миозину очень быстро и почти необратимо с большим уменьшением свободной энергии. Последующий процесс гидролиза АТР протекает быстро; он легко обратим до тех пор, пока Pj остается связанным с белком. Легкая обратимость-реакции ?·???^?·???·?? позволяет объяснить сопровождающий эту реакцию обмен трех из четырех атомов кислорода ?-кон-цевого фосфата АТР на кислород Н2180 среды. Почему не обменивается четвертый атом, остается пока не ясным. Диссоциация продуктов гидролиза (ADP и Pi) из комплекса с ферментом является эндергоническим процессом. Эта стадия очень медленная,, ее равновесие сдвинуто в сторону связывания продуктов реакции с ферментом. Таким образом, в стационарном состоянии главными интермедиатами являются комплексы ?-ADP-Pi и ?-ADP. Как мы увидим ниже, это обстоятельство является решающим в сократительном процессе.

Молекулы миозина конденсируются, образуя филаменты, состоящие примерно из 400 палочковидных молекул, связанных друг с другом таким образом, что пары головок миозиновых молекул'

1406

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

Рис. 36.5. Упаковка миозиновых молекул при образовании толстого филамента.

проецируются на ось волокна на расстоянии 14,3 нм; они располагаются по спирали (образуя угол 120°), в результате каждая головка четвертой пары находится на одной линии с одной нз головок первой пары на расстоянии 43 им (рис. 36.5). В центре зоны ? находится М-линия, от которой миозиновые филаменты ориентируются в обоих направлениях. Полагают, что в зоне М-ли-нии локализован особый белок (М-белок); миозиновые нити стыкуются «хвост к хвосту».

36.1.2. Тонкие филаменты

Актин является водорастворимым глобулярным белком (М 42 000), состоящим из 376 аминокислотных остатков; он содержит один остаток №-метилгистидина. В препарате актина, получаемого обычным методом, с каждой молекулой белка связана одна молекула АТР. Эта глобулярная форма получила название G-актина. При добавлении Mg2+ актин быстро полимеризуется, образуя двунитчатую спиральную структуру — F-актин, как показано на рис. 36.6. Эта спиральная структура не включает регулярно повторяющихся единиц. Один полный виток спирали содержит от 13 до 14 молекул G-актина. Тонкие филаменты мышцы образованы такими двунитчатыми структурами, связанными между собой нековалентными связями; взаимоориентация происходит, по-видимому, в процессе реакции полимеризации: nG-актин ¦ АТР ->- F-актин · ADP + nPj

тропонин актин /

пропомирзин

Рис. 36.6. Предполагаемое взаиморасположение тропомиозина, тропонина и актина в тонком филаменте мышцы. Тропомиозин находится в желобке актиновон спирали. На каждые семь пар мономеров G-актина приходится по одной молекуле тропомиозина и тропонина. [HuxLey ?. ?., Regulation of Muscle Function by Tropomyosin — Troponin, p. 319, in Y. Hatefi and L. Djavadi-Ohaniance, eds The -Structural Basis of Membrane Function, Academic Press, Inc., New York, 1976]

36. МЫШЦА

1407

ft= 0,05 с1_©

Рис. 36.7. Кинетика системы миозиновой АТРазы. Последовательность 1,2 а 3 — стадии гидролиза АТР в отсутствие актина. Последовательность 6, 7, 2. 4 и 5 — стадии гидролиза в присутствии актина. Константы скоростей указаны только для прямых реакций, А — актин; ? — миозин. [Taylor ?. W., Annu. Rev. Biochem., 41, 577—616 (1972).]

Эта гидролитическая реакция не является, однако, абсолютно необходимой, поскольку G-актин, освобожденный от АТР, также способен к полимеризации при оптимальной ионной силе. В то же-время F-актин более стабилен в комплексе с ADP.

Скелетные мышцы содержат в два раза больше (по массе) миозииа, чем актина. Другие органы, а также клетки организмов, примитивных видов содержат, напротив, намного больше актина, чем миозина. Актин часто находится в клетках в виде тонких филаментов, не образующих строго упорядоченных структур. Простой способ идентификации актина — это добавление раствора-HMM-Si. Головки HMM-Si присоединяются к актиновым фила-ментам подобно наконечникам стрел, как бы декорируя фила-менты.

F-актин присоединяет НММ-фрагменты илн интактный миозин таким же образом, как он связывает Si. Связывание, как полагают, осуществляется в той области головки молекулы миозина, в которой находятся две сульфгидрильные группы. Все молекулы G-актина в составе F-актина доступны для ьзаимодействия с миозином. При смешивании F-актина и миозииа быстро освобождается ADP, почти в стехиометрических количествах. Это обусловлено' тем, что, как показано на схеме рис. 36.7, реакции

4 5

A + M-ADPPj -*¦ AM.-ADP Pi -> AM -f- ADP -f- Pi

1408

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

протекают значительно быстрее, чем спонтанная диссоциация ADP и ?, из комплекса с миозином

з

MADPPj -*¦ M + ADP+P,-

Актнн ускоряет общий каталитический процесс в 300—400 раз; это обусловлено различием констант скоростей реакций 5 и 5, лимитирующих общую скорость гидролиза. Реакция 8, гидролиз АТР на актиномиозине (А-М-АТР), является чисто гипотетической, поскольку реакция 7 (диссоциация актина из комплекса актин — миозин — АТР) протекает слишком быстро, чтобы «успела» осуществиться реакция 8.

36.1.2.1. Тропомиозин

Актиновые филаменты из всех известных источников всегда содержат тропомиозин (?? около 70 000), палочковидная молекула которого имеет длину примерно 41 нм. Тропомиозин состоит из двух нендентичных ?-спиральных полипепгидных цепей, закрученных друг относительно друга. Эта сравнительно жесткая молекула располагается в желобке спиральной цепочки F-актина (рис. 36.6); ее протяженность соответствует семи G-актиновым мономерам. Чистый тропомиозин легко присоединяется к F-актиновым фила-ментам.

36.1.2.2. Тропонин

Третий компонент тонких филаментов —тропонин (Тн; ?? около 76 000) — представляет собой сферическую молекулу, состоящую из трех различных субъединиц, получивших названия в соответствии с выполняемыми ими функциями: тропомиозинсвязывающен (Тн-Т), ингибирующей (Тн-?) и кальцнйсвязывающей (Тн-С). Каждый компонент тонких филаментов соединяется с двумя другими нековалентными связями:

F- актин — тропомиозин'

/ \

Тн-1-----------Тн-Т

Тропомиозинсвязывающая субъединица Тн-Т (?? 37 000) образована одиночной полипептидной цепью, содержащей 259 аминокислотных остатков, последовательность которых установлена. ¦Отрицательно заряженные остатки локализованы в ?-концевой

36. МЫШЦА

1409

половине молекулы, а положительно заряженные — в С-концевой. Поскольку в молекуле имеется избыток (9) положительно заряженных остатков, ее изоэлектрическая точка (р/) равна 8,8. Тн-Т прочно связывается изолированным тропомиозином и тропомио-зин-Р-актиновым комплексом; благодаря этому происходит присоединение Тн-1 и Тн-С к комплексу F-актин — тропомиозин; оно зависит от [Са2+]; см. ниже. Цепь Тн-? состоит из 179 остатков. Актннсвязывающий центр локализован, по-видимому, в области участка, содержащего основные