Сократительную функцию мышц обеспечивают 1 белок актин. Молекулярные механизмы мышечного сокращения

Изучение химического состава миофибрилл показало, что толстые и тонкие нити состоят только из белков.

Толстые нити состоят из белка миозина. Миозин - белок с молекулярной массой около 500 кДа, содержащий две очень длинные полипептидные цепи. Эти цепи образуют двойную спираль, но на одном конце эти нити расходятся и формируют шаровидное образование - глобулярную головку. Поэтому в молекуле миозина различают две части - глобулярную головку и хвост. В состав толстой нити входит около 300 миозиновых молекул, а на поперечном срезе толстой нити обнаруживается 18 молекул миозина. Миозиновые молекулы в толстых нитях переплетаются своими хвостами, а их головки выступают из толстой нити по правильной спирали. В головках миозина имеются два важных участка (центра). Один из них катализирует гидролитическое расщепление АТФ, т. е. соответствует активному центру фермента. АТФазная активность миозина впервые обнаружена отечественными биохимиками Энгельгардтом и Любимовой. Второй участок головки миозина обеспечивает во время мышечного сокращения связь толстых нитей с белком тонких нитей - актином. Тонкие нити состоят из трех белков: актина, тропонина и тропомиозина.

Основной белок тонких нитей - актин. Актин - глобулярный белок с молекулярной массой 42 кДа. Этот белок обладает двумя важнейшими свойствами. Во-первых, проявляет высокую способность к полимеризации с образованием длинных цепей, называемых фибриллярным актином (можно сравнить с нитью бус). Во-вторых, как уже отмечалось, актин может соединяться с миозиновыми головками, что приводит к образованию между тонкими и толстыми нитями поперечных мостиков, или спаек.

Основой тонкой нити является двойная спираль из двух цепей фибриллярного актина, содержащая около 300 молекул глобулярного актина (как бы две нити бус, закрученные в двойную спираль, каждая бусинка соответствует глобулярному актину).

Еще один белок тонких нитей – тропомиозин – также имеет форму двойной спирали, но эта спираль образована полипептидными цепями и по размеру гораздо меньше двойной спирали актина. Тропомиозин располагается в желобке двойной спирали фибриллярного актина.

Третий белок тонких нитей – тропонин - присоединяется к тропомиозину и фиксирует его положение в желобке актина, при котором блокируется взаимодействие миозиновых головок с молекулами глобулярного актина тонких нитей.

5. Технологические приемы ускорения созревания мяса

После прекращения жизни животного (синтеза) в мясе происходит комплекс изменений, на которые влияют ферменты. Начинается самораспад тканей под действием ферментов самих тканей. Этот процесс называется автолизом. При этом изменению подвергаются мышечные, соединительные и жировые ткани. Изменения в мышечной ткани при хранении влияют на качество мяса.

При жизни животного основной функцией мышечной ткани является двигательная, в результате которой происходит превращение химической энергии в механическую. Эти сложные превращения происходят за счет биохимических, физиологических, физических и термодинамических процессов.

Биохимический аспект выражается в изменении миофибрилл белков, прежде всего миозина и актина (80% белков). При сокращении происходит соединение фибриллярного актина с миозином. Образуется прочный актомиозиновый комплекс, в котором на одну молекулу миозина приходится 2-3 молекулы актина.

Энергетический механизм сокращения заключается в изменении свободной энергии, образующейся при расщеплении АТФ. Активностью АТФ обладает белок миозин, который при распаде АТФ соединяется с актином, образуя актиномиозиновый комплекс, т.е. происходит процесс окоченения. В данном случае миозин является не только белком, но в своем роде ферментом.

Фаза собственного созревания мяса характеризуется интенсивным распадом мышечного гликогена и накоплением молочной кислоты, а также изменением его химического состава, но окоченение входит в процесс автолиза.

Характерной особенностью окоченения является снижение влагоудерживающей способности мышечной ткани, вследствии чего всегда наблюдается отделение мышечного сока. По внешним признакам окоченевшее мясо имеет большую упругость, при тепловой обработке – излишнюю жесткость, а из-за снижения влагаудерживающей способностью становится менее сочным. В состоянии окоченения мышцы менее подвержены действию протеометических ферментов и мясо хуже усваивается.

В результате накопления молочной, фосфорной и других кислот в мясе увеличивается концентрация водородных ионов, вследствии чего к концу окоченения рН снижается до 5,8-5,7, а иногда и ниже. В кислой среде при распаде АТФ и фосфорной кислоты происходит частичное накопление неорганического фосфора.

Фаза созревания во многом определяет интенсивность течения физико-коллоидных процессов и микроструктурных изменений мышечных волокон. В результате комплекса причин (действия протеометических ферментов, образования продуктов автолитического распада, кислой среды) и происходит распад мышечных волокон. Глубокий распад свидетельствует уже о глубоком автолизе, что чаще наблюдается при порче мяса. На фазе же плавного перехода от окоченения к созреванию мясо размягчается, разрыхляется, появляется нежность, а это значит, что пищеварительные соки свободно проникают к саркоплазме, что улучшает переваримость и усвояемость мяса.

Нежность тканей мяса, где много соединительной ткани, невелика, а мясо молодых животных нежнее, чем старых.

При повышении температуры (до 30 0 С), а также при длительной выдержке мяса (свыше 20-26 сут.) при низких плюсовых температурах (2-4 0 С) ферментативный процесс созревания настолько углубляется, что в мясе заметно увеличивается количество распада белков в виде малых пептидов и свободных аминокислот. На этой стадии мясо приобретает коричневую окраску, в нем увеличивается количество аминного и аммиачного азота, происходит заметный гидролитический распад жиров, что отрицательно оказывает влияние на его пищевые свойства и товарный вид мяса.

Для ускорения созревания мяса, способствующего улучшению его качества, используют различные методы обработки, в том числе применяют ферменты, антибиотики.

Исследования также показали, что поверхностная обработка мяса (погружением в раствор или распылением порошка) не дает достаточного эффекта.

Хорошие результаты дает ферментация мяса, проводимая одновременно после сублимационного восстановления.

Ферментативный препарат добавляет в консервы для получения продуктов более высокого качества. Предлагается добавлять препараты в колбасы низших сортов.

Мясо, обработанное ферментативными препаратами, должно по внешнему виду, цвету, аромату не отличаться от неферментативного, а по вкусу – быть более мягким, без горького вкуса, вызываемого продуктами глубокого расщепления белков ферментами.

механическую функцию выполняет белок: гемоглобин, миозин, коллаген, меланин, или инсулин??? и получил лучший ответ

Ответ от Полина фейгина[гуру]
1.Полиме́р - высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов) , в котором атомы, соединённые химическими связями, образуют линейные или разветвлённые цепи, а также пространственные трёхмерные структуры. Часто в его строении можно выделить мономер - повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимер образуется из мономеров в результате полимеризации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений.
Особые механические свойства:
эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки) ;
малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло) ;
способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок) .
Особенности растворов полимеров:
высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
растворение полимера происходит через стадию набухания.
Особые химические свойства:
способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.) .
Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают уникальным для неживой природы свойством - гибкостью.
2. Белки – это сложные высокомолекулярные природные соединения, построенные из -аминокислот. В состав белков входит 20 различных аминокислот, отсюда следует огромное многообразие белков при различных комбинациях аминокислот. Как из 33 букв алфавита мы можем составить бесконечное число слов, так из 20 аминокислот – бесконечное множество белков. В организме человека насчитывается до 100 000 белков.
Белки подразделяют на протеины (простые белки) и протеиды (сложные белки) .
Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы, различно: инсулин – 51, миоглобин – 140. Отсюда Mr белка от 10 000 до нескольких миллионов.
Функции белков в организме разнообразны. Они в значительной мере обусловлены сложностью и разнообразием форм и состава самих белков. Белки - незаменимый строительный материал. Одной из важнейших функций белковых молекул является пластическая. Все клеточные мембраны содержат белок, роль которого здесь разнообразна. Количество белка в мембранах составляет более половины массы.
Многие белки обладают сократительной функцией. Это прежде всего белки актин и миозин, входящие в мышечные волокна высших организмов. Мышечные волокна - миофибриллы - представляют собой длинные тонкие нити, состоящие из параллельных более тонких мышечных нитей, окруженных внутриклеточной жидкостью. В ней растворены аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) , необходимая для осуществления сокращения, гликоген - питательное вещество, неорганические соли и многие другие вещества, в частности кальций.
Велика роль белков в транспорте веществ в организме. Имея функциональные различные группы и сложное строение макромолекулы, белки связывают и переносят с током крови многие соединения. Это прежде всего гемоглобин, переносящий кислород из легких к клеткам. В мышцах эту функцию берет на себя еще один транспортный белок - миоглобин.
Еще одна функция белка - запасная. К запасным белкам относят ферритин - железо, овальбумин - белок яйца, казеин - белок молока, зеин - белок семян кукурузы.
Регуляторную функцию выполняют белки-гормоны.
Гормоны - биологически активные вещества, которые оказывают влияние на обмен веществ. Многие

Белки (полипептиды, протеины) представляют собой высокомолекулярные вещества, в состав которых входят альфа-аминокислоты, соединенные пептидной связью. Состав протеинов определяется в живых организмах генетическим кодом. Как правило, при синтезе используется набор из 20 стандартных аминокислот.

Классификация белков

Разделение протеинов осуществляется по разным признакам:

• Форме молекулы.
• Составу.
• Функциям.

По последнему критерию белки классифицируются:

• На структурные.
• Питательные и запасные.
• Транспортные.
• Сократительные.

Структурные белки

К ним относят эластин, коллаген, кератин, фиброин. Структурные полипептиды участвуют в процессе формирования мембран клеток. Они могут создавать в них каналы или осуществлять иные функции.

Питательные, запасные протеины

Питательным полипептидом является казеин. За счет него растущий организм обеспечивается кальцием, фосфором и аминокислотами.

Запасными являются белки семян культурных растений, яичный белок. Они потребляются на этапе развития зародышей. В человеческом организме, как и у животных, протеины не откладываются в запас. Их необходимо регулярно получать с пищей, иначе вероятно развитие дистрофии.

Транспортные полипептиды

Классическим примером таких белков является гемоглобин. В крови обнаруживаются и другие полипептиды, участвующие в перемещении гормонов, липидов и других веществ.

В мембранах клетки находятся протеины, обладающие способностью транспортировать ионы, аминокислоты, глюкозу и прочие соединения через клеточную мембрану.

Сократительные белки

Функции этих полипептидов связаны с работой мышечных волокон. Кроме того, они обеспечивают движение ресничек и жгутиков у простейших. Сократительные белки выполняют функцию транспортировки органелл внутри клетки. За счет их наличия обеспечивается изменение клеточных форм.

Примерами сократительных белков являются миозин и актин. Стоит сказать, что эти полипептиды обнаруживаются не только в клетках мышечных волокон. Сократительные белки выполняют свои задачи практически во всех

Особенности

В клетках обнаруживается индивидуальный полипептид - тропомиозин. Сократительный мышечный белок миозин является его полимером. Он образует комплекс с актином.

Сократительные белки мышц не растворяются в воде.

Скорость синтеза полипептидов

Ее регулируют тиреоидные и стероидные гормоны. Проникая в клетку, они связываются со специфическими рецепторами. Образованный комплекс проникает в и связывается с хроматином. За счет этого повышается скорость синтеза полипептидов на генном уровне.

Активные гены обеспечивают усиление синтеза определенной РНК. Она выходит из ядра, направляется к рибосомам и активирует синтез новых структурных либо сократительных белков , ферментов или гормонов. В этом заключается анаболическое действие генов.

Между тем белковый синтез в клетках - процесс достаточно медленный. Он требует больших энергетических затрат и пластического материала. Соответственно, гормоны не в состоянии оперативно контролировать метаболизм. Ключевая их задача состоит в регуляции роста, дифференциации и развития клеток в организме.

Мышечное сокращение

Оно является ярким примером сократительной функции белков . В ходе исследований было установлено, что в основе сокращения мускулатуры лежит изменение физических свойств полипептида.

Сократительную белок актомиозин, взаимодействующий с аденозинтрифосфорной кислотой. Эта связь сопровождается сокращением миофибрилл. Такое взаимодействие можно наблюдать вне организма.

К примеру, если на вымоченные в воде (мацерированные) волокна мышц, лишенные возбудимости, воздействовать раствором аденозинтрифосфата, начнется их резкое сокращение, аналогичное сокращению живой мускулатуры. Этот опыт имеет важнейшее практическое значение. Он доказывает тот факт, что для мышечного сокращения необходима химическая реакция сократительных белков с веществом, богатым энергией.

Действие витамина Е

С одной стороны, он является главным внутриклеточным антиоксидантом. Витамин Е обеспечивает защиту жиров и прочих легкоокисляемых соединений от окисления. Вместе с тем он выступает в качестве переносчика электронов и участвует в окислительно-восстановительных реакциях, которые связаны с запасанием высвобождаемой энергии.

Дефицит витамина Е вызывает атрофию мышечной ткани: содержание сократительного белка миозина резко уменьшается, и его заменяет коллаген - инертный полипептид.

Специфика миозина

Он считается одним из ключевых сократительных белков . На его долю приходится порядка 55 % от общего содержания полипептидов в мышечной ткани.

Из миозина состоят филаменты (толстые нити) миофибрилл. В молекуле присутствует длинная фибриллярная часть, имеющая двуспиральную структуру, и головки (глобулярные структуры). В составе миозина выделяют 6 субъединиц: 2 тяжелые и 4 легкие цепи, находящиеся в глобулярной части.

В качестве основной задачи фибриллярного участка выступает способность формировать пучки филаментов миозина или толстые протофибриллы.

На головках находятся активный участок АТФ-азы и актинсвязывающий центр. За счет этого обеспечивается гидролиз АТФ и связь с актиновыми филаментами.

Разновидности

Подвидами актина и миозина считаются:

• Динеин жгутиков и ресничек простейших.
• Спектрин в мембранах эритроцитов.
• Нейростенин перисинаптических мембран.

К разновидностям актина и миозина можно также отнести полипептиды бактерий, ответственные за перемещение различных веществ в Этот процесс называется также хемотаксисом.

Роль аденозинтрифосфорной кислоты

Если поместить нити актомиозина в раствор кислоты, добавить ионы калия и магния, можно увидеть, что они укорачиваются. При этом наблюдается расщепление АТФ. Это явление свидетельствует о том, что распад аденозинтрифосфорной кислоты имеет определенную связь с изменением физико-химических свойств сократительного белка и, следовательно, с работой мышц. Впервые этот феномен был выявлен Сцент-Дьиордьи и Энгельгардтом.

Синтез и распад АТФ имеют важнейшее значение в процессе превращения химической энергии в механическую. При распаде гликогена, сопровождающегося выработкой молочной кислоты, как и при дефосфорилировании аденозинтрифосфорной и креатинфосфорной кислот, участие кислорода не требуется. Этим объясняется способность изолированной мышцы функционировать в анаэробных условиях.

В волокнах мускулатуры, утомленных при работе в анаэробной среде, накапливаются молочная кислота и продукты, образовавшиеся при распаде аденозинтрифосфорной и креатинфосфорной кислот. В результате исчерпываются запасы веществ, при расщеплении которых выделяется необходимая энергия. Если поместить утомленную мышцу в условия, содержащие кислород, она будет его потреблять. Некоторое количество молочной кислоты начнет окисляться. В результате образуются вода и углекислый газ. Высвобождающаяся энергия будет использоваться для ресинтеза креатинфосфорной, аденозинтрифосфорной кислот и гликогена из продуктов распада. За счет этого мышца снова приобретет способность работать.

Скелетная мышца

Отдельные свойства полипептидов можно объяснить только на примере их функций, т. е. их вклада в сложную деятельность. Среди немногочисленных структур, в отношении которых была установлена корреляция между функциями белков и органа, особого внимания заслуживает скелетная мышца.

Ее клетка активируется за счет нервных импульсов (мембранно-направленных сигналов). В молекулярном плане сокращение основывается на циклическом формировании поперечных мостиков благодаря периодическим взаимодействиям между актином, миозином и Mg-АТР. Кальцийсвязывающие белки и ионы Са выступают в качестве посредников между эффекторами и нервными сигналами.

Посредничество ограничивает скорость ответа на импульсы "включение/выключение" и предотвращает самопроизвольные сокращения. Вместе с тем некоторые осцилляции (колебания) маховых мышечных волокон крылатых насекомых контролируют не ионы или аналогичные низкомолекулярные соединения, а непосредственно сократительные белки. За счет этого возможны очень быстрые сокращения, которые после активации протекают самостоятельно.

Жидкокристаллические свойства полипептидов

При укорочении изменяется период решетки, образованной протофибриллами. При вхождении решетки из тонких нитей в структуру из толстых элементов тетрагональную симметрию сменяет гексагональная. Это явление можно считать полиморфным переходом в жидкокристаллической системе.

Особенности механохимических процессов

Они сводятся к трансформации химической энергии в механическую. АТФ-азная активность митохондриальных клеточных мембран имеют сходство с актом иозиновой системы скелетной мускулатуры. Общие черты отмечаются и в их механохимических свойствах: они сокращаются под влиянием АТФ.

Следовательно, в мембранах митохондрий должен присутствовать сократительный белок. И он действительно там присутствует. Установлено, что сократительные полипептиды задействованы в митохондриальной механохимии. Однако выяснилось также, что значительную роль в процессах играет и фосфатидилинозитол (липид мембран).

Дополнительно

Молекула белка миозина не только способствует сокращению разных мышц, но и может участвовать в других внутриклеточных процессах. Речь, в частности, о перемещении органелл, прикреплении актиновых нитей к мембранам, формировании и функционировании цитоскелета и пр. Почти всегда молекула так или иначе взаимодействует с актином, являющимся вторым ключевым сократительным белком.

Было доказано, что молекулы актомиозина могут изменять длину под воздействием химической энергии, высвобождаемой при отщеплении от АТФ остатка фосфорной кислоты. Другими словами, именно этот процесс обуславливает сокращение мышц.

Система АТФ, таким образом, выступает как своего рода аккумулятор химической энергии. По мере надобности она превращается непосредственно в механическую при посредничестве актомиозина. При этом отсутствует промежуточный этап, характерный для процессов взаимодействия других элементов, - переход в тепловую энергию.

Вопрос 31. Микрофиламенты и внутриклеточные движения

Теория происхождения митохондрий и пластид

Митохондрии и пластиды занимают в эукариотической клетке совершенно особое положение. Они имеют собственную генетическую систему, размножаются относительно независимо от деления всей клетки и ядра и отграничены от остальной протоплазмы двойной мембраной.

Согласно гипотезе эндосимбиоза, они являются потомками прокариот, сходных с бактериями или сине-зелеными водорослями, которые, вероятно, в результате фагоцитоза проникли в гетеротрофные анаэробные клетки и стали в них жить как симбионты.

Моделью может служить явление эндоцитоза у некоторых грибов, жгутиковых и амеб: клетки сине-зеленых водорослей фагоцитируются, окружаются двумя мембранами (собственной внутренней и наружной, происходящей из плазмолеммы клетки-хозяина) и сохраняют способность к фотосинтезу.

Согласно другим представлениям, митохондрии и пластиды происходят из выпячиваний плазматической мембраны, которыми были окружены либо части еще примитивного генома, либо плазмиды.

Микрофиламенты представляют собой очень тонкие и длинные нитевидные белковые структуры, встречающиеся во всей цитоплазме. Они обусловливают вязко-эластичную, тиксотропную консистенцию цитоплазмы и обеспечивают внутриклеточные движения, включая сокращение фибрилл в мышечных волокнах.

Функции микрофиламентов:

• ответственны за перемещение: хлоропластов, которые могут изменять свое положение в зависимости от освещения;
• клеточных ядер;
• пузырьков;
• участвуют: в фагоцитозе (но, не в пино- или экзоцитозе); в образовании перетяжки при клеточном делении (здесь действует кольцо из пучков микрофиламентов, опоясывающих клетку); в движении хроматид и хромосом при делении ядра.

Внутриклеточное движение возникает при взаимодействии микрофиламентов из актина (актиновых нитей) с миозином.

Актин - глобулярный белок, он составляет 5-15 % всего клеточного белка и является важнейшим белком эукариотических клеток. Глобулярный актин (гамма-актин) полимеризуется в актиновые филаменты (F-актин), состоящие из двух закрученных друг около друга спиралей (диаметр - около 6 нм, длина - несколько мкм). Актин образует трехмерную сеть из большого числа нитей или пучки не менее чем из 20 нитей. В клетке существует обратимое равновесие: гамма-актин - F-актин - пучки F-актина.

Миозин в эукариотических клетках содержится в меньшем количестве (0,3-1,5 % клеточного белка), чем актин. Нитевидная молекула миозина (молекулярная масса более 450 000, длина 150 нм) состоит из двух больших и нескольких малых субъединиц, образующих длинную двойную спираль. Один конец этой спирали несет две головки. Конец с головками катализирует расщепление АТФ (миозиновая АТФаза) и может специфически связываться с актином. Актин активирует АТФазу. При расщеплении АТФ освобождается энергия, необходимая для внутриклеточных движений.

Что касается прокариот , то у сине-зеленых водорослей, способных к скользящему движению, и у бактерий существуют микрофиламенты (диаметром 4-6 нм) неизвестной химической природы, актиновые же нити имеются среди бактерий только у микоплазм, которые тоже обладают скользящим движением.

2. Роль актина и миозина в разных типах эукариотических клеток

В мышечных клетках молекулы миозина объединены в толстые (до 20 нм) миозиновые фрагменты (нити). Актиновые и миозиновые нити образуют в мышечных клетках сократимый актомиозиновый комплекс.

В клетках немышечного типа миозиновые филаменты не обнаружены (исключение составляют лишь некоторые амебы). Однако после выделения из этих клеток миозин может полимеризоваться в филаменты. Выделенный из клеток немышечного типа комплекс F-актина с миозином, не соединенным в филаменты, расщепляет АТФ и при этом сокращается. Это сокращение способен тормозить третий белок с большой молекулярной массой (270 000), соединяющий нити актина в сеть.

Тормозящий белок образует вместе с актиновыми филаментами относительно жесткую сеть (цитоскелет). При локальном изменении среды (повышение рН или концентрации Са+2) тормозящий белок отделяется от актина, а миозин в этом случае может присоединяться к концам актиновых нитей; филаменты смещаются относительно друг друга и объединяются в пучки, что приводит к сокращению.

3. Движение протоплазмы в эукариотических клетках

Движение протоплазмы наблюдается почти во всех эукариотических клетках (его скорость составляет 1...6 см/ч). Органеллы перемещаются вместе с протоплазмой, не течет только эктоплазма. Этот процесс лежит в основе амебоидного движения. В растительных клетках может создаваться бесконечный ток протоплазмы вокруг центральной вакуоли. У амеб происходят локальные сокращения сети из актиновых (и миозиновых, если они имеются) филаментов, благодаря чему эндоплазма оттесняется в другой участок клетки.

В гигантских клетках некоторых водорослей с бесконечным вращательным течением протоплазмы пучки актиновых филаментов лежат на границе экто- и эндоплазмы - именно там, где, как полагают, должны действовать движущие силы.

Есть пять основных мест, где может быть приложено действие актин-связывающих белков. Они могут связываться с мономером актина; с «заостренным», или медленно растущим, концом филамента; с «оперенным», или быстро растущим, концом; с боковой поверхностью филамента; и наконец, сразу с двумя филаментами, образуя поперечную сшивку между ними. В дополнение к пяти указанным типам взаимодействия актин-связывающие белки могут быть чувствительны или нечувствительны к кальцию. При таком разнообразии возможностей вряд ли покажется удивительным, что было обнаружено множество актин-связывающих белков и что некоторые из них способны к нескольким типам взаимодействия.

Белки, связывающиеся с мономерами, подавляют формирование затравок, ослабляя взаимодействие мономеров друг с другом. Эти белки могут уменьшать, но могут и не уменьшать скорость элонгации - это зависит от того, будет ли комплекс актина с актин-связывающим белком способен присоединяться к филаментам. Профилин и фрагмин - чувствительные к кальцию белки, взаимодействующие с актиновыми мономерами. Оба нуждаются в кальции для связывания с актином. Комплекс профилина с мономером может надстраивать предсуществующие филаменты, а комплекс фрагмина с актином нет. Поэтому профилин в основном ингибирует нуклеацию, тогда как фрагмин подавляет и нуклеацию, и элонгацию. Из трех нечувствительных к кальцию взаимодействующих с актином белков два - ДНКаза I и белок, связывающийся с витамином D, - функционируют вне клетки. Физиологическое значение их способности связываться с актином неизвестно. В головном мозге есть, однако, белок, который, связываясь с мономерами, деполимеризует актиновые филаменты; его деполимеризующее действие объясняется тем, что связывание мономеров приводит к снижению концентрации доступного для полимеризации актина.

«Оперенный», или быстро растущий, конец актиновых филаментов может быть блокирован так называемыми кепирующими белками, а также цитохалазином В или D. Блокируя точку быстрой сборки филаментов, кепирующие белки способствуют нуклеации, но подавляют элонгацию и стыковку филаментов конец в конец. Суммарный эффект состоит в появлении укороченных филаментов, это обусловлено как увеличением количества затравок, конкурирующих за свободные мономеры, так и отсутствием стыковки. Известно по меньшей мере четыре белка, действующих подобным образом в присутствии кальция: гельзолин, виллин, фрагмин, а также белок с мол. массой 90 кДа из тромбоцитов. Все они способны сокращать обусловленную нуклеацией лагфазу при полимеризации очищенных мономеров и укорачивать уже образовавшиеся филаменты. Существуют также и нечувствительные к кальцию кепирующие белки. Так, белки с мол. массой 31 и 28 кДа из акантамебы и белок с мол. массой 65 кДа из тромбоцитов оказывают свое действие независимо от присутствия или отсутствия кальция.

Еще одна точка, в которой возможно взаимодействие белков с филаментами, - это «заостренный», или медленно растущий, конец. Связывание белка в ней может инициировать нуклеацию и мешать стыковке филаментов. Оно влияет и на скорость элонгации, причем это влияние зависит от концентрации актина. При значениях последней в интервале между критическими концентрациями для медленно растущего и быстро растущего концов связывание белка с медленным концом будет увеличивать скорость элонгации за счет предотвращения потери мономеров на нем. Если, однако, концентрация актина превосходит большую из критических, связывание белка с медленным концом приведет к снижению суммарной скорости элонгации вследствие блокирования одной из точек присоединения мономеров. Общим итогом указанных трех эффектов (стимуляции нуклеации, подавления стыковки и подавления элонгации) будет увеличение числа и уменьшение длины филаментов. Эти эффекты сходны с теми, которые вызывают белки, связывающиеся с «оперенным» концом. Вот почему для того, чтобы определить, к какому из двух классов относится данный белок, т. е. на какой конец филаментов он действует, нужно провести либо опыты по конкуренции этого белка с такими, которые связываются заведомо с быстрым концом, либо опыты с полимеризацией на пред-существующих затравках. В настоящее время лишь про один белок определенно известно, что он связывается с «заостренным», или медленно растущим, концом актиновых филаментов, а именно про акументин, содержащийся в больших количествах в макрофагах. Возможно, что это справедливо и для бревина - сывороточного белка, который вызывает быстрое снижение вязкости растворов F-актина, укорачивая филаменты без увеличения концентрации свободных мономеров. Ни бревин, ни акументин нечувствительны к концентрации кальция.

Четвертый тип связывания с актиновыми филаментами - это связывание с их боковой поверхностью без последующего сшивания их друг с другом. Присоединение белков к поверхности может как стабилизировать, так и дестабилизировать филаменты. Тропомиозин связывается нечувствительным к кальцию образом и стабилизирует F-актин, тогда как северин и виллин, связываясь с актиновыми филаментами, «разрезают» их в присутствии кальция.

Но, пожалуй, наиболее эффектными из актин-связывающих белков являются те, которые могут сшивать актиновые филаменты между собой и вызывать тем самым образование геля. Связываясь с F-актином, эти белки индуцируют обычно также и нуклеацию. По меньшей мере четыре сшивающих фибриллярный актин белка способны индуцировать гелеобразование в отсутствие кальция. Это а-актинин из тромбоцитов, виллин, фимбрин и актиногелин из макрофагов. Все они превращают раствор F-актина в жесткий гель, способный препятствовать движению металлического шарика; добавление кальция приводит к растворению такого геля. Все четыре перечисленных белка являются мономерными. В случае виллина белковая молекула может быть разделена на отдельные домены: сердцевину, которая чувствительна к кальцию и способна связываться с актиновыми филаментами и кепировать их, и головку, которая нужна для сшивания филаментов в отсутствие кальция. Существуют также многочисленные нечувствительные к кальцию сшивающие белки. Два из них, фи-ламин и актин-связывающий белок из макрофагов, являются гомодимерами, они состоят из длинных, гибких белковых субъединиц. Мышечный а-актииии - еще один нечувствительный к кальцию сшивающий белок. Образовывать сшивки без помощи дополнительных белков способны также винкулин и белок высокой молекулярной массы из клеток линии ВНК. В то же время фасцин из морских ежей сам по себе может обеспечить формирование лишь узких, похожих на иглы пучков актиновых филаментов, а для того, чтобы вызвать гелеобразование, ему нужно содействие белка с мол. массой 220 кДа.

Семейство спектрина - одно из самых интересных в группе тех сшивающих белков, на которые кальций непосредственно не действует. Собственно спектрин - это тетрамер (ар)г, обнаруженный первоначально в мембранном скелете эритроцитов. ap-Димеры связываются друг с другом «хвост к хвосту», а головки молекул остаются свободными и могут взаимодействовать с олигомерами актина. а-Субъединица каждого димера может, кроме того, взаимодействовать с кальмодулином - кальций-связывающим белком, участвующим во многих регулируемых кальцием процессах. До сих пор неизвестно, какое действие оказывает связывание кальмодулина на активность спектрина. Спектриноподобные молекулы найдены к настоящему времени в клетках многих типов, так что правильнее будет говорить о семействе спектрина. Субъединица спектрина из эритроцитов имеет мол. массу 240 кДа. Иммунологически родственный ей белок с такой же мол. массой был обнаружен в большинстве исследованных типов клеток. Мол. масса |3-субъединицы спектрина из эритроцитов - 220 кДа. В комплексе с белком с мол. массой 240 кДа, реагирующим с антителами против а-спектрина, в клетках может обнаруживаться, однако, и субъединица с мол. массой 260 кДа (найдена в терминальной сети) или, например, 235 кДа (найдена в нервных клетках и клетках других типов). Эти родственные, дающие перекрестную иммунологическую реакцию комплексы были описаны сначала как самостоятельные белки и получили название TW260/240 и фодрина. Таким образом, подобно многим другим цитоскелетным белкам, белки семейства спектрина являются тканеспецифичными. То, что все эти белки содержат кальмодулин-связывающий домен, было установлено лишь недавно, и что из этого следует, еще предстоит понять.

Миозин - единственный из имеющих отношение к актину белков, способный генерировать механическую силу. Производимая им за счет АТР механическая работа лежит в основе мышечного сокращения и обеспечивает, как полагают, натяжение, развиваемое фибробластами и другими клетками при контакте с внеклеточным матриксом. Взаимодействие миозина с актином очень сложно - настолько, что ему была посвящена отдельная книга в этой серии1. Миозин производит работу путем циклического взаимодействия с актином. Миозин-ADP связывается с актиновыми филаментами, происходит изменение конформации миозина, сопровождающееся освобождением ADP, и затем АТР, если он есть в растворе, замещает освободившийся из миозина ADP и индуцирует отсоединение актиновых нитей от миозина. После гидролиза АТР может начаться следующий цикл. Кальций регулирует этот процесс в нескольких точках. В некоторых мышечных клетках он взаимодействует с тропонином, контролируя связывание тропомиозина с актином. Про такие клетки говорят, что в них регуляция осуществляется на уровне тонких нитей. В других мышцах кальций действует на молекулу миозина - либо прямо, либо активируя ферменты, фосфорилирующие ее легкие цепи.

В некоторых немышечных клетках кальций регулирует сокращение на уровне сборки миозиновых нитей.

Взаимосвязь между разными классами актин-связывающих белков становится яснее, если рассматривать ее с точки зрения теории гелей, предложенной Flory. Эта теория утверждает, что при достаточно большой вероятности сшивок между полимерами формируется сшитая: трехмерная сеть. Тем самым предсказывается существование «точки гелеобразования», в которой должен происходить резкий переход от раствора к гелю, отчасти сходный в математическом отношении с такими фазовыми переходами, как плавление и испарение; дальнейшее увеличение количества сшивок - за точкой гелеобразования - должно приводить лишь к изменению-жесткости геля. Таким образом, белки, образующие поперечные сшивки, будут переводить вязкий раствор F-актина в состояние геля, а те белки, которые разрушают филаменты или вызывают увеличение их числа, станут растворять гель путем снижения средней длины полимеров, не сопровождающегося возрастанием количества сшивок: гель растворится, когда плотность распределения сшивок упадет ниже уровня, определяемого точкой гелеобразования. Миозин может взаимодействовать с гелем и вызывать его сокращение. Теория гелей оказывается полезной при сопоставлении свойств актин-связывающих белков разных классов и при разработке методов исследования, их функций. Следует, однако, иметь в-виду, что теория гелей рассматривает лишь изотропные структуры и сама по себе не учитывает топологических особенностей конкретных систем. Как станет ясно из. дальнейшего, топология цитоскелета является чрезвычайно важной его характеристикой, которую теория гелей: предсказать пока не может.

Для осмысленной интерпретации результатов химического исследования белков необходимо детальное знание условий внутри клетки, включая точную стехиометрию всех белков, имеющих отношение к изучаемым процессам, и такие регуляторные факторы, как pH, рСа,. концентрация нуклеотидов, а также, по-видимому фосфолипидный состав прилегающих мембран. В ситуации, когда белки могут в стехиометрии 1:500 эффективно» индуцировать явления, несущие черты резких кооперативных переходов, количественные предсказания становятся, очевидно, сомнительным делом.