Актин, миозин, титин и другие белки саркомеров
Рис 1. Строение молекулы Миозин-2
Нити миозина, он мотор наших мышц, преобразующий химическую энергию в механическую, образованы связанными между собой молекулами Миозина-2. У миозина есть разные классы. Два - это мышечный. Каждая такая молекула представляет собой два спирально сплетенных протеиновых пучка, с головками, по одной от каждого, на одной из сторон.
Молекулы миозина подразделяют на три участка: хвостовой, шейный и головной.
1) Хвостовой участок – длинный, белки в нем полностью переплетены, скрепляя миозин.
2) Шейный участок – короткий, также сплетен, за исключением двух крайних фрагментов, соединений с головой и хвостом.
Эти фрагменты называют шарнирными, так как в них тело миозина может сгибаться, давая головкам миозина возможность подходить к актину и сдвигать его гребковым движением. Шея действует как рычаг.
3) Головной участок – обеспечивает крепление миозина к актину.
Молекулы миозина подразделяют на три участка: хвостовой, шейный и головной.
1) Хвостовой участок – длинный, белки в нем полностью переплетены, скрепляя миозин.
2) Шейный участок – короткий, также сплетен, за исключением двух крайних фрагментов, соединений с головой и хвостом.
Эти фрагменты называют шарнирными, так как в них тело миозина может сгибаться, давая головкам миозина возможность подходить к актину и сдвигать его гребковым движением. Шея действует как рычаг.
3) Головной участок – обеспечивает крепление миозина к актину.
Рис. 2. Молекулярный вид головки миозина и ее легких цепей
На головном участке находятся центры связывания с актином, обеспечивающие саму возможность крепления. Их также называют «челюстями», а щель между ними «пастью», потому что миозин буквально закусывает актин.
Также, на голове находится центр связывания АТФ, участок, который может связывать и использовать молекулы АТФ, обеспечивающие энергию для сокращения. АТФ - топливо миозинового мотора.
На схемах головку часто обозначают как S1, а шею – S2.
Цепи образующие основу миозина называют тяжелыми цепями. В области же шеи, к головкам миозина крепится по 2 маленьких легких цепи выполняющих регуляторные и структурные функции. Пара существенных (щелочных) и пара регуляторных.
Таким образом Миозин-2 состоит из 2 тяжелых и 4 легких цепей.
Также, на голове находится центр связывания АТФ, участок, который может связывать и использовать молекулы АТФ, обеспечивающие энергию для сокращения. АТФ - топливо миозинового мотора.
На схемах головку часто обозначают как S1, а шею – S2.
Цепи образующие основу миозина называют тяжелыми цепями. В области же шеи, к головкам миозина крепится по 2 маленьких легких цепи выполняющих регуляторные и структурные функции. Пара существенных (щелочных) и пара регуляторных.
Таким образом Миозин-2 состоит из 2 тяжелых и 4 легких цепей.
Один миофиламент миозина составляют множество таких молекул, вместе выглядящих как толстая плетеная веревка, от краев которой, по всей длине кроме начала отходят шаровидные головки. В М-диске миозиновые филаменты соседних саркомеров соединяются друг с другом хвостами, образуя одну общую биполярную структуру.
В зависимости от состояния мышцы от филаментов может отходить большее или меньшее количество головок. В расслабленной мышце большая их часть практически лежит на филаменте, чтобы не мешать свободному движению. В активной же мышце наоборот, головки приподняты для взаимодействия с актином.
В зависимости от состояния мышцы от филаментов может отходить большее или меньшее количество головок. В расслабленной мышце большая их часть практически лежит на филаменте, чтобы не мешать свободному движению. В активной же мышце наоборот, головки приподняты для взаимодействия с актином.
Актиновый и миозиновый миофиламенты
Второй участник сокращения, нити тонкого миофиламента актина (актин - самый распространенный белок в клетках эукариот). Они образованы двойными спиралями фибрилярного актина. Фибрилярный актин, в свою очередь, образован из бусинок глобулярного актина. Таким образом, что две нити глобулярных молекул спирально обвиваются одна относительно другой и формируют основу актиновой нити.
Тропонин-тропомиозиновый комплекс регулируют доступность актина
На актине расположены участки для связывания с головками миозина. Когда они доступны, Миозин сцепляется через них с Актином и саркомер сокращается.
Их доступность, доступность АМ взаимодействия и сокращения, регулируют специальные белковые комплексы тропинина и тропомиозина, расположенные на актине, над зонами связывания.
В расслабленной мышце (при низкой концентрации Ca2+) они перекрывают участки связывания, и контакта произойти не может. В активной (при высокой концентрации Ca2+) – освобождают их, давая актину и миозину соединяться.
Их доступность, доступность АМ взаимодействия и сокращения, регулируют специальные белковые комплексы тропинина и тропомиозина, расположенные на актине, над зонами связывания.
В расслабленной мышце (при низкой концентрации Ca2+) они перекрывают участки связывания, и контакта произойти не может. В активной (при высокой концентрации Ca2+) – освобождают их, давая актину и миозину соединяться.
Молекулярное изображение участка филаментов: зеленый - актин, желтый - головки миозина, более темные оттенки желтого - легкие цепи миозина, голубой - тропомиозин, розовых оттенков - небулин
Следующий важный белок - Небулин. Как и тропомиозин, он проходит по всей длине актина. Его название происходит от латинского nebulus , что значит туманный. Назвали его так потому, что его функция долгое время оставалась неясной.
Но сейчас мы знаем, что основные функции небулина – структурные, связанные с формой и стабильностью нити. Наиболее изученная из них называется «молекулярной линейкой». Согласно ей, еще на этапе формирования клетки, небулин собирается раньше актина и регулирует его длину при последующей сборке.
В стабилизации структуры актина важную роль играют и другие белки. Например, топомодулин и CAPZ.
Тропомодулин – связывает свободный конец актина, направленный к центру саркомера, регулируя и ограничивая его длину, как колпачок.
CAPZ – также ограничивает длину актина, но со стороны Z-диска. Кроме того, он участвует в соединении Z-диска и актина. (CAP – колпачок. Z – расположение в Z диске).
Но сейчас мы знаем, что основные функции небулина – структурные, связанные с формой и стабильностью нити. Наиболее изученная из них называется «молекулярной линейкой». Согласно ей, еще на этапе формирования клетки, небулин собирается раньше актина и регулирует его длину при последующей сборке.
В стабилизации структуры актина важную роль играют и другие белки. Например, топомодулин и CAPZ.
Тропомодулин – связывает свободный конец актина, направленный к центру саркомера, регулируя и ограничивая его длину, как колпачок.
CAPZ – также ограничивает длину актина, но со стороны Z-диска. Кроме того, он участвует в соединении Z-диска и актина. (CAP – колпачок. Z – расположение в Z диске).
Различные белки саркомера, в том числе CAPZ, небулин и тропомодулин
В саркомере есть еще один крупный белок, наравне с актином и миозином играющий важнейшую роль в его работе – титин (он же коннектин).
Титин - самый большой белок в организме человека и любых позвоночных, насчитывающий несколько десятков тысяч аминокислот.
А также, его полное молекулярное название, перечисляющее эти аминокислоты, официально является самым длинным словом в мире.
Титин начинается в М-диске, проходит через весь миозин, затем свободен, пока не присоединяется к актину на самом конце саркомера. А затем, вместе с актином, входит в Z-диск. То есть, каждый такой белок длиной в половину саркомера. Отсюда и названия. Титин – значит титан, огромный. А коннектин – коннект, связь между актином и миозином, между Z и М дисками.
Одна из ключевых функций титина – стабилизация нити Миозина и центрирование ее между нитями актина. Обеспечивает ее, прежде всего, участок титина проходящий через миозин к М-линии, напрямую связанный с миозином.
Другая ключевая функция, за которую отвечает не связанный с филаментами, наиболее пружинный участок титина - возможность растяжения и предотвращение чрезмерного растяжения саркомера. Титин дает ему свободно растягиваться и сокращаться, но не дает перерастянуться.
Также, как пружина, титин накапливает энергию при растяжении, усиливая момент сокращения саркомера.
Титин - самый большой белок в организме человека и любых позвоночных, насчитывающий несколько десятков тысяч аминокислот.
А также, его полное молекулярное название, перечисляющее эти аминокислоты, официально является самым длинным словом в мире.
Титин начинается в М-диске, проходит через весь миозин, затем свободен, пока не присоединяется к актину на самом конце саркомера. А затем, вместе с актином, входит в Z-диск. То есть, каждый такой белок длиной в половину саркомера. Отсюда и названия. Титин – значит титан, огромный. А коннектин – коннект, связь между актином и миозином, между Z и М дисками.
Одна из ключевых функций титина – стабилизация нити Миозина и центрирование ее между нитями актина. Обеспечивает ее, прежде всего, участок титина проходящий через миозин к М-линии, напрямую связанный с миозином.
Другая ключевая функция, за которую отвечает не связанный с филаментами, наиболее пружинный участок титина - возможность растяжения и предотвращение чрезмерного растяжения саркомера. Титин дает ему свободно растягиваться и сокращаться, но не дает перерастянуться.
Также, как пружина, титин накапливает энергию при растяжении, усиливая момент сокращения саркомера.
Фиксация нитей титина на актине при сокращении
Важнейшим свойством титина является и то, что в активной мышце, под воздействием кальция, его пружинная часть становится значительно жестче. И это позволяет саркомерам развивать большее напряжение.
Современная теория объясняет это тем, что титин, одним из участков (N2A) сцепляется с актином, тем самым укорачивая свою пружинную часть. Оставшаяся свободной, укороченная пружина, естественным образом хуже тянется и быстрее накапливает энергию.
При этом, при движении нитей, титин еще и накручивается на актин.
Потому что при сокращении саркомеров актин немного вращается под действием миозинвых мостиков, тянущих его одновременно с трех сторон.
Повышение жесткости титина, при сокращении, также повышает стабильность миозина. Поскольку титин и миозин прочно связаны. Предположительно, изменение жесткости определяет и то, вытянутся или опустятся миозиновые головки.
Современная теория объясняет это тем, что титин, одним из участков (N2A) сцепляется с актином, тем самым укорачивая свою пружинную часть. Оставшаяся свободной, укороченная пружина, естественным образом хуже тянется и быстрее накапливает энергию.
При этом, при движении нитей, титин еще и накручивается на актин.
Потому что при сокращении саркомеров актин немного вращается под действием миозинвых мостиков, тянущих его одновременно с трех сторон.
Повышение жесткости титина, при сокращении, также повышает стабильность миозина. Поскольку титин и миозин прочно связаны. Предположительно, изменение жесткости определяет и то, вытянутся или опустятся миозиновые головки.
Схематическое изображение строения саркомера и его основных белков
Помимо уже упомянутых белков, в саркомерах есть и множество других, формирующих цитоскелет, обеспечивающих правильную ориентацию филаментов и стабильность всей работы.
Например, актин и миозин взаимодействуют как напрямую, так и через миозин связывающий С-белок. Он регулирует взаимное расположение, стабильность филаментов и некоторые их функции.
Например, актин и миозин взаимодействуют как напрямую, так и через миозин связывающий С-белок. Он регулирует взаимное расположение, стабильность филаментов и некоторые их функции.