12.7: Актин - Міозинові структури в м'язах

Моторні білки, які транспортують матеріали вздовж діючих мікрофіламентів, певним чином схожі, наприклад, куляста головна група, яка зв'язує і гідролізує АТФ, але відрізняються іншими способами, такими як рух, каталізований гідролізом АТФ. Значна частина f-актину та міозину в поперечно-смугастих і серцевих м'язових клітині знаходиться у своєрідному розташуванні, призначеному для забезпечення надійної скоротливої реакції по всій довжині клітини. Саркомер - це розташування чергуються волокон f-актину (також відомого як «тонкі волокна» на основі їх появи на електронних мікрофотографіях) та міозину II (або «товстих волокон»). Хоча ми зазвичай не думаємо про руховий білок як про клітковину, в цьому випадку хвости молекул міозину II переплітаються, утворюючи безперервне волокно молекул міозину. У міру протікання скорочувального циклу молекули міозину захоплюють сусідні актинові волокна, і переміщують їх. На малюнку ви можете бачити\(\PageIndex{11}\), що саркомер побудований так, що нерухомі волокна міозину розташовані по центру, з двома паралельними наборами актинових волокон, вкраплених між волокнами міозину, зліва і праворуч від центру. Зверніть увагу, що актинові волокна не перетинають центральну лінію, і що в центрі молекули міозину перемикають орієнтацію. Фізіологічний ефект від цього полягає в тому, що актинові нитки все тягнуться всередину до центру саркомеру. Саркомер, у свою чергу, є лише одним із багатьох, пов'язаних разом, утворюючи міофібрилу. Міофібрили подовжують довжину м'язової клітини.

Малюнок\(\PageIndex{11}\). Саркомер. Міозин II зображений як на малюнку\(\PageIndex{9}\), але тут переплітається з іншими міозинами, утворюючи товсту нитку. Вони підтримуються і закріплені титіном (показані у вигляді довгих заплутаних помаранчевих стрічок). Головки міозину впливають на актинові нитки (сині), тягнучи їх назустріч один одному скоротливим рухом.

Малюнок\(\PageIndex{12}\). Скелетні м'язи людини організовані в саркомери. Темні лінії Z є чіткою точкою відліку при порівнянні цього з діаграмою на малюнку 11. Ця електронна мікрофотографія розміщена у відкритому доступі Л.Говардом.

Коли головка міозину знаходиться в стані спокою, вона щільно прикріплена до актинової нитки. Насправді, суворість виникає у мертвих тварин, оскільки АТФ більше не робиться, і, таким чином, саркомери заблоковані на місці. Строгість починається приблизно через 2-3 години після смерті у людини, після виснаження запасів АТФ. Коли організм знову розслабляється приблизно через 3 дні, це пов'язано з розкладанням і розщепленням білків актину і міозину. Однак, поки вони ще є живими тваринами, АТФ є загальнодоступним, і він може зв'язуватися з головкою міозину, змушуючи її втрачати спорідненість до f-актину, і відпускати (рис.\(\PageIndex{12}\)). На даний момент значного руху не відбулося. Після того, як АТФ гідролізується, головка міозину може знову прикріпитися до f-актину трохи далі нитки, ніж вона була спочатку. Вивільнена енергія зберігається в області шиї. ADP і P _i все ще прикріплені до головки міозину, а також. Наступний крок полягає в тому, щоб P _i скинув міозин, що призводить до силового удару. Шия міозину обертається навколо, що призводить до транслокації головки приблизно на 10 нм для міозину II. Відстань транслокації варіюється в залежності від типу міозину, але поки не ясно, чи пропорційна довжина шиї зміщенню голови. Нарешті, АДФ скидає з головки міозину, збільшуючи спорідненість головки до f-актину.

Малюнок\(\PageIndex{12}\). Інсульт потужності міозину. Міозин може приєднуватися лише до f-актину, якщо є Ca ²⁺, доступний для зв'язування тропоніну (зеленого кольору) та переміщення тропоміозину (жовтого) із зв'язуючої канавки. Коли АТФ зв'язується з головкою міозину, він вивільняє f-актин. Гідроліз АТФ призводить до зведення головки міозину (переміщення її щодо f-актину). Коли Пі залишає головку міозину, він знову приєднується до f-актину, але трохи зміщується від свого початкового місця зв'язування. Потім АДФ вивільняється, і міозин піддається силовому удару, при якому він пружиниться назад у вихідне положення, переміщаючи f-актин разом з ним.

Структура саркомерів, описана в першому пункті, була неповною для того, щоб чітко розмістити головних гравців у своїх ролей. У саркомере є й інші білки з важливими структурними і регуляторними функціями. Одним з ключових регуляторних компонентів є тропоміозин. Це волокнистий білок, який лежить в канавці актинової мікронитки і блокує доступ до місця зв'язування міозину. Тропоміозин прикріплюється до мікронитки спільно з багатосубодиничним комплексом тропоніну. Коли Ca ²⁺ доступний, він може зв'язуватися з тропоніну-С, що призводить до конформаційної зміни, яка зміщує положення тропоміозину, щоб виявити місце зв'язування міозину. Це основна точка контролю за скороченням м'язів: нагадаємо, що внутрішньоклітинні рівні Ca ²⁺ зберігаються надзвичайно низькими, оскільки його основна функція полягає у внутрішньоклітинній сигналізації. Один із способів того, що рівні Ca ²⁺ підтримуються настільки низьким, - це закачування його у резервуар, такий як ендоплазматичний ретикулум.

Малюнок\(\PageIndex{13}\). В умовах низького Ca ²⁺ тропоміозин (жовта лінія) утримується в міозінзв'язуючої канавці f-актину (синього кольору) тристороннім комплексом тропоніну (світло-зеленим). Як тільки рівень Ca ²⁺ підвищується, він може зв'язуватися з тропоніну-С, викликаючи конформаційний зсув, який переміщує тропоміозин з шляху, так що міозин (помаранчевий) може зв'язувати актинові мікрофіламенти.

У м'язових клітині існує спеціалізація ER під назвою саркоплазматичний ретикулум (SR), який багатий насосами Ca ²⁺ та Ca ²⁺. Коли сигнал посилається від контролюючої нервової клітини до м'язової клітини, він викликає деполяризацію мембрани м'язових клітин. Це, отже, деполяризує набір мембран, званих поперечними канальцями (Т-канальцями), які лежать безпосередньо на ділянках саркоплазматичної сітки. На поверхні t-трубочок знаходяться білки, які безпосередньо взаємодіють з набором білків каналу Ca ²⁺, утримуючи канал закритим нормально. При деполяризації t-канальця білки змінюють форму, що змінює взаємодію з каналами Ca ²⁺ на SR, і дозволяє їм відкриватися. Ca ²⁺ випливає з SR, де він доступний для тропоніну-с. Тропонін-С, пов'язаний з Ca ²⁺, зміщує тропоміозин від актинової нитки, і головка міозину може зв'язуватися з ним. АТФ може зв'язати головку міозину, щоб почати цикл силового удару, і вуаля, ми контролювали скорочення м'язових клітин.

SR є спеціалізацією частини ендоплазматичної ретикулуму і містить високу концентрацію іонів Ca ²⁺, оскільки мембрана SR вбудована насосами Ca ²⁺ (ATPases), щоб підтримувати низьку цитоплазматичну концентрацію та секвестерувати іони Ca ²⁺ всередині SR. Це регулюється фосфорилуванням і [Ca ²⁺] через регуляторний білок, такий як фосфоламбан (у серцевому м'язі). Фосфоламбан - це інтегральний мембранний білок SR, який зазвичай асоціюється з насосом Ca ²⁺ і пригнічує його. Однак, коли він фосфорильований або коли цитоплазматичний рівень Ca ²⁺ підвищується, фосфоламфан виділяє з насоса Ca ²⁺ і дозволяє йому функціонувати.

Крім «рухомих частин», в саркомере присутні і більш статичні, структурні, білки (рис.\(\PageIndex{11}\)). Титин - гігантський білок (найбільший відомий, майже 3 мА), і його можна розглядати як щось на зразок банджі-шнура до міозінного волокна. Його основна мета полягає в тому, щоб запобігти силам, що генеруються міозином, від витягування волокна. Титин обгортається навколо міозінового волокна і прикріплюється в декількох точках, причому найбільш медіальний безпосередньо біля краю зони Н. На лінії Z титін приєднується до телетонінового комплексу, які приєднуються до білки Z-диска (антипаралельний α-актинін). Титин також взаємодіє з обскурином в області I-діапазону, де він може пов'язувати міофібрили з SR, а в області М-діапазону він може взаємодіяти з Ca ²⁺ -зв'язуючим білком кальмодулін-1 і TRIM63, як вважають, діє як зв'язок між титіном і цитоскелетом мікротрубочок. Існує кілька ізоформ титину з альтернативного сплайсингу, причому більша частина варіацій надходить у область I-діапазону.

Порушення правильного формування опорної структури на основі титину можуть бути причиною дилатаційної кардіоміопатії, а від цього і застійної серцевої недостатності. Близько 20-30% випадків дилатаційної кардіоміопатії є сімейними, а мутації були відображені на N-кінцеву область титину, де білок взаємодіє з телетоніном. Також досліджуються дефекти титину щодо хронічної обструктивної хвороби легень та деяких видів м'язової дистрофії.

Звичайно, у фактичному м'язі (Малюнок\(\PageIndex{14}\)) відбувається те, що нерви ростуть в м'яз і роблять синаптичні зв'язки з ними. При цих синаптичних з'єднаннях нервова клітина вивільняє нейромедіатори, такі як ацетилхолін (ACH), які зв'язуються з рецепторами (АЧР) на м'язовій клітині. Потім це відкриває іонні канали в мембрані м'язових клітин, викликаючи зміну напруги на цій мембрані, що також впливає на сусідню мембрану поперечних канальців, згодом відкриваючи канали Ca ²⁺ в SR. Скорочення саркомеров потім може протікати так, як вже було описано вище.

Малюнок\(\PageIndex{14}\). Саркомер в контексті. Саркомер з рис. 11 і 12 - це одна крихітна скоротлива одиниця всередині масиву, яка утворює міофібрилу. Міофібрила є однією з багатьох в м'язовій клітині, оточеній саркоплазматичним ретикулумом, спеціалізованим розширенням ER, яке секвеструє Ca ²⁺, поки збудження Т-канальців не викликає його вивільнення.