Структурные мостики саркомера

ТИТИН

УЛЬТРАСТРУКТУРА ТОЛСТОГО ФИЛАМЕНТА: МИОЗИН

Толстым филаментом является миозин (см. рис. 3.2). Его диаметр примерно 10-15 нм, а длина — около 1,5 мкм. Таким образом, он более плотный (толстый) и более короткий, чем актиновый филамент. Уникальность миозиновых филаментов заключается в том, что они имеют множество латеральных отростков, которые простираются по направлению к актиновым филаментам. Эти отростки называются поперечными мостиками. Они являются участками связывания актино-вых и миозиновых филаментов, в результате чего образуется мышечное напряжение.

Миозиновая головка. Исследования показывают, что НММ может также расщепляться на два субфрагмента: S-1 и S-2. Субфрагмент S-2 является сегментом миозинового стержня, расположенного между головкой и дистальным сегментом стержня. С другой стороны, субфрагмент S-1 является сегментом молекулы миозина, составляющей головку. Он состоит из легких и тяжелых цепочек. Каждый сегмент тяжелой цепочки, находящийся в пределах головки, делится на три фракции. Функциональное значение этого деления пока еще не выяснено. Кроме тяжелой цепочки, каждая головка содержит две, иногда три легкие цепочки. Результаты исследований показывают, что эти легкие цепочки играют роль в молекулярном привязывании и руководстве головками (Chowrashi и др., 1989).

Миозиновый хвост. При тщательном анализе миозиновой молекулы можно увидеть, что она состоит из двух частей: хвоста и головки (см. рис. 3.2). Хвост нередко называют стержнем или участком стержня миозиновой молекулы. Этот сегмент молекулы миозина, состоящий из дисталь-ного конца миозинового стержня, также называют легким меромиозином (ЛММ). К нему присоединен тяжелый меромиозин (ТММ). Этот компонент молекулы миозина включает в себя проксимальный сегмент стержня и головку. В отличие от ЛММ, ТММ обладает способностью связываться с актином.

Наука о гибкости

УЛЬТРАСТРУКТУРА

СОЕДИНИТЕЛЬНОГО ФИЛАМЕНТА:

Согласно современной модели двухфиламентного саркомера, предложенной X. Хаксли и Хенсоном (1954), а также А. Хаксли и Нидергерке (1954), сокращение мышцы происходит благодаря связыванию и движению филаментов актина и миозина. Два филамента двигаются или скользят относительно друг друга, изменяя степень взаимного перекрытия, тогда как их длина не изменяется. Однако, если взглянуть на классическую иллюстрацию организации саркомера (см. рис. 3.2), возникают следующие вопросы:

• во-первых, почему создается впечатление, что филаменты миозина плывут?

• во-вторых, что удерживает саркомер воедино?

Структура саркомера кажется полностью нелогичной. Неизменной особенностью мышцы является центральное положение миозина в сарко-мере, посередине между Z-линиями. Это положение сохраняется даже при растяжении саркомера.

Что же удерживает миозин в центре? Ответом на этот вопрос является наличие соединительного филамента — титина (рис. 3.4 и 3.5).

До начала 1990-х гг. в большинстве учебников по физиологии, гистологии и даже анатомии об этих филаментах почти не упоминалось. По мнению Маруямы (1986), это объяснялось тем, что они не очень четко вписывались в теорию скольжения филаментов.

Структура титина. Спустя несколько лет после идентификации соединительных филаментов Ванг (1985) приступил к тщательному биохимическому анализу белка коннектин. Исследования показали, что коннектин состоит из двух белков: титина и небулина.

На сегодняшний день титин является наиболее крупным белком, его молекулярная масса равна 2,5-3,0 Da (Maruyama и др., 1984; Kurzban и Wang, 1988). Титин составляет около 10 % миофибриллярной массы (Trinick, Knight, Whiting, 1984; Wang, Ramirez-Mitchell, Palter, 1984).

филамент (миозин) (актин)

(титин)

Рис. 3.4. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая расположение основных структурных элементов саркомера (Pollack, 1990)

Наука о гибкости

Рис. 3.6. Непосредственное доказательство наличия соединительных филаментов в

летательной мышце рабочей пчелы (а). Примеры филаментов коннектшга (титина)

в сильно растянутой мышце лягушки (б). Изображение замороженной летательной

мышцы рабочей пчелы (в) (Pollack, 1990)

Глава 3 Сократительные компоненты мышцы

Что делает титиновый филамент столь эластичным? Теоретически ряд факторов обусловливают существенную растяжимость титина Во-первых, титин содержит большое количество аминокислоты пролин, которая расщепляет а-спиралевидные цепочки, обусловливающие ригидность полипептидов (Pollack, 1990) Во-вторых, как следствие этого, отдельная молекула титина не содержит никакой а-спиралевидной структуры Наоборот, она состоит из произвольных витков (Тпшск, Knight,

Haукa о гибкости

Whiting, 1984). В-третьих, отдельный пептид с молекулярной массой, равной 3 млн Da, может достигать длины до 7,0 мкм. В то же время в покое длина саркомера составляет около 2,4 мкм, а при максимальном растягивании — 7,0 мкм. На основании этих данных было высказано предположение, что титин должен быть компактно «упакован» в саркомере (Maruyama, 1986). Таким образом, в случае начального растягивания мышцы сегмент титина, находящийся между концом миозинового фила-мента и Z-линией, является главным фактором, обусловливающим увеличение длины саркомера (Trombitas и др., 1993). После того как этот сегмент титина достигнет предела своей длины, рекрутирование дополнительных «завернутых» (скрученных) или каким-то образом прикрепленных к филаменту миозина сегментов титина обусловливает дальнейшее увеличение длины саркомера (Wang и др., 1991). Однако и эта структура имеет свои пределы.

Регулирование растяжимости мышц. В связи с вышесказанным попытаемся ответить на следующие вопросы. Во-первых, что регулирует растяжимость мышц? Во-вторых, можно ли повлиять на фактор(-ы), регулирующий(-е) растяжимость мышц, таким образом, чтобы увеличить гибкость? Первый вопрос изучал Ванг с коллегами (1991). В результате проведенных исследований они установили, что длина и размеры имеют большое значение, если необходимо определить, когда сарко-меры производят напряжение покоя при растягивании и куда исчезает саркомер при нагрузке. Например, мышцы, выражающие более крупные изоформы титина (т.е. структурные варианты), как правило, инициируют напряжение при большей длине саркомера, а также достигают своего предела эластичности. А мышцы, выражающие более длинные изоформы титина, развивают наименьшее напряжение. Ученые также пришли к выводу, что различные мышечные группы выражают различные типы титановых изоформ и, таким образом, проявляют различные кривые нагрузки-растяжения.

Эти данные говорят о том, что «клетки скелетной мышцы могут контролировать и модулировать тугоподвижность и предел эластичности на основании избирательного выражения определенных изоформ титина» (Wang и др., 1991). Любопытно, что наблюдаемые анатомические изменения изоформ титина отмечаются в мышцах из различных участков тела (Akster, Granzier, Focant, 1989; С. Hill, Weber, 1986; Wang, Wright, 1988).

Возникает вопрос, могут ли тренировочные занятия повлиять на определенные изоформы титина? К сожалению, до настоящего времени он остается открытым.

В последнее время изучался и другой весьма важный вопрос: какова взаимосвязь между расщеплением титина и различными нервно-мышечными расстройствами, такими, например, как синдром Шварца-Ям-пеля (Soussi-Yanicostas и др., 1991) и мышечная дистрофия Дюшенна. По мнению Мацумуры и коллег (1989), расщепление титина, «даже вторичное, скорее всего, играет важную роль в патогенезе миофибрилляр-ной дегенерации при мышечной дистрофии Дюшенна». Другим важным

Глава 3. Сократительные компоненты мышцы

аспектом является влияние на титановые изоформы различных медикаментов.

Весьма важным представляется также выяснить, изменяется ли изо-форма титина вследствие травмы. Если да, то как реагирует организм в случае макротравмы? Могут ли происходить изменения в изоформе вследствие, например, хронически неправильной осанки? Эти и другие вопросы требуют подробного изучения.

Функция титина. Ученые считают, что титин выполняет две важные функции. Во-первых, поскольку эластичные элементы связывают каждый конец толстого филамента с Z-линией, филаменты титина производят напряжение покоя, то есть напряжение, имеющее место при нормальной физиологической длине мышечного волокна и увеличивающееся по мере удлинения расслабленного волокна; кроме того, они производят силу, которая центрирует толстые филаменты в саркомере (Horowits, 1992). Во-вторых, предполагают, что титин играет определенную роль в морфогенезе миофибрилл (Fulton, Isaacs, 1991; Pollack, 1990).

Миофибриллярный саркомер удерживается не только в осевом направлении, но и в поперечном. Источником поперечного сопротивления, обеспечивающего целостность саркомера, являются три структуры: М-мостики, А-мостики и I-мостики (рис. 3.7 и 3.8).

М-мостики. В центре некоторых мышц организующий центр саркомера содержит поперечные взаимосвязи между толстыми филаментами. Эти ступенеобразные структуры, соединяющие соседние толстые филаменты в их средних участках, называются М-мостиками. Их функция состоит в том, чтобы помочь организовать и стабилизировать филаментную решетку (Pollack, 1990). Но так как в некоторых мышцах эти М-мостики отсутствуют, должны существовать еще какие-то структуры, способствующие стабилизации филаментной решетки (Pollack, 1990). Этими структурами являются А-и 1-мостики.

А-мостики. Ученые понимали, что для организации и стабилизации миозиновых филаментов требуется какая-то дополнительная структура. В противном случае филаменты попросту разорвались бы. Какой же механизм обеспечивает сохранение решетчатой структуры организации? В 1983 г. Пол-лак обнаружил наличие взаимосвязей на множестве опубликованных микрофотографий, хотя их значение в тот период времени не было определено. Последующие исследования с использованием более совершенных методов показали четкое наличие ступенеобразных структур (Baatsen, Trombitas, Pollack, 1988; Pollack, 1990). Эти ступенеобразные соединения между соседними параллельными толстыми филаментами назвали А-мостиками (Suzuki, Pollack, 1986).

1-мостики. Совсем недавно была выявлена еще одна структура — I-мостики. I-мостик представляет собой ступенеобразное соединение, ко-

Наука о гибкости

торое перекрывает щель между соединительным (титин) и тонким (актин) филаментами. Эти мостики впервые были обнаружены более 20 лет тому назад Францини-Армстронгом (1970) и затем Риди (1971), однако на них не обратили должного внимания. Более поздние исследования подтвердили их структуру. Считают, что I-мостик состоит из тропонина. В настоящее время эта структура изучена недостаточно; предполагают, что одна из ее функций заключается в обеспечении латеральной стабильности и сохранении разделений между филаментами (Pollack

'

Глава 3- Сократительные компоненты мышцы

Соединительный	Тонкий	Толстый
филамент	филамент	филамент
(титин)	(актин)	(миозин)

I-мостик А-мостик

— 1-диск------»-Ц---------

М-мостик

А-диск -

43 нм

Z-линия

• 1-диск -

Рис. 3.8. Диаграммное изображение основных структур саркомера

Дата добавления: 2015-07-02