Теория скользящей нити - Sliding filament theory
Теория скользящей нити объясняет механизм сокращения мышц, основанный на мышечных белках, которые скользят друг мимо друга, вызывая движение. Согласно теории скользящих волокон, миозиновые (толстые) волокна мышечных волокон скользят мимо актиновых (тонких) волокон во время сокращения мышц, в то время как две группы волокон остаются относительно постоянной длины.
Он был независимо представлен в 1954 году двумя исследовательскими группами, одна из которых состояла из Эндрю Ф. Хаксли и Рольфа Нидергерке из Кембриджского университета , а другая - из Хью Хаксли и Джин Хэнсон из Массачусетского технологического института . Первоначально она была задумана Хью Хаксли в 1953 году. Эндрю Хаксли и Нидергерке представили ее как «очень привлекательную» гипотезу.
До 1950-х годов существовало несколько конкурирующих теорий о сокращении мышц, включая электрическое притяжение, сворачивание белка и модификацию белка. Новая теория непосредственно ввела новую концепцию, называемую теорией поперечных мостов (классическая качающаяся поперечная перемычка, в настоящее время в основном называемая ( поперечный мостиковый цикл ), которая объясняет молекулярный механизм скольжения филаментов. Теория поперечных мостов утверждает, что актин и миозин образуются белковый комплекс (классически называемый актомиозином ) путем прикрепления миозиновой головки к актиновой нити, тем самым образуя своего рода поперечный мост между двумя нитями. Теория скользящей нити является широко распространенным объяснением механизма, лежащего в основе мышечного сокращения.
История
Ранние работы
Первым мышечным белком был обнаружен миозин немецким ученым Вилли Кюне , который выделил и назвал его в 1864 году. В 1939 году российская команда мужа и жены Владимир Александрович Энгельгардт и Милица Николаевна Любимова обнаружили, что миозин обладает ферментативным (так называемым АТФазным ) свойством, которое может распад АТФ с высвобождением энергии. Альберт Сент-Дьёрдьи , венгерский физиолог, обратил свое внимание на физиологию мышц после получения Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1937 году за свои работы по витамину С и фумаровой кислоте . В 1942 году он продемонстрировал, что АТФ является источником энергии для сокращения мышц. Он действительно заметил, что мышечные волокна, содержащие миозин B, укорачиваются в присутствии АТФ, но не миозина A, опыт, который он позже описал как «возможно, самый волнующий момент в моей жизни». С Брюно Ференца Штраубу , он вскоре обнаружил , что миозин B был связан с другим белком, который они назвали актин, а миозин А , не было. Штрауб очистил актин в 1942 году, а Сент-Дьёрдьи очистил миозин A в 1943 году. Стало очевидно, что миозин B был комбинацией миозина A и актина, так что миозин A сохранил первоначальное название, тогда как они переименовали миозин B в актомиозин. К концу 1940-х годов команда Сент-Дьёрдьи с доказательствами постулировала, что сокращение актомиозина эквивалентно сокращению мышц в целом. Но это мнение было в целом противником, даже со стороны таких нобелевских лауреатов, как Отто Фриц Мейерхоф и Арчибальд Хилл , которые придерживались господствующей догмы о том, что миозин является структурным белком, а не функциональным ферментом. Однако в одном из своих последних вкладов в исследования мышц Сент-Дьёрдьи продемонстрировал, что актомиозин, управляемый АТФ, является основным принципом сокращения мышц.
Источник
К тому времени, когда Хью Хаксли получил докторскую степень в Кембриджском университете в 1952 году за исследования структуры мышц, Сент-Дьерди превратил свою карьеру в исследования рака. Хаксли отправился в лабораторию Фрэнсиса О. Шмитта в Массачусетском технологическом институте с постдокторской стипендией в сентябре 1952 года, где к нему присоединился другой английский научный сотрудник Джин Хансон в январе 1953 года. Хэнсон имел докторскую степень по строению мышц. из Королевского колледжа в Лондоне в 1951 году. Хаксли использовал дифракцию рентгеновских лучей, чтобы предположить, что мышечные белки, особенно миозин, образуют структурированные волокна, дающие начало саркомеру (сегменту мышечного волокна). Их главная цель состояла в том, чтобы использовать электронную микроскопию для изучения деталей этих нитей, как никогда раньше. Вскоре они обнаружили и подтвердили филаментную природу мышечных белков. Миозин и актин образуют перекрывающиеся филаменты, миозиновые филаменты в основном составляют полосу А (темная область саркомера), тогда как филаменты актина пересекают полосы А и I (светлая область). Хаксли был первым, кто предложил теорию скользящей нити в 1953 году, заявив:
«… [I] если постулируется, что растяжение мышцы происходит не за счет удлинения волокон, а за счет процесса, в котором два набора волокон скользят [курсив добавлен] друг относительно друга; в этом случае растяжимость будет подавлена если миозин и актин связаны вместе ».
Позже, в 1996 году, Хаксли пожалел, что ему следовало включить Хэнсона в формулировку своей теории, потому что она была основана на их совместной работе.
Эндрю Хаксли , которого Алан Ходжкин описал как «волшебник с научным аппаратом», только что открыл механизм передачи нервного импульса ( потенциала действия ) (за что он и Ходжкин позже получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году) в 1949 году, используя он разработал зажим для напряжения и искал помощника, который мог бы правильно рассечь мышечные волокна. По рекомендации близкого друга Роберта Штемпфли к нему в 1952 году присоединился немецкий врач Рольф Нидергерке в Кембриджском университете. К тому времени он понял, что обычно используемый фазово-контрастный микроскоп не подходит для тонких структур мышечных волокон, и поэтому разработал свой собственный интерференционный микроскоп . С марта 1953 г. по январь 1954 г. они выполнили свои исследования. Хаксли вспоминал, что в то время единственным человеком, который когда-либо думал о скользящих нитях до 1953 года, была Дороти Ходжкин (позже лауреат Нобелевской премии по химии 1964 года ). Лето 1953 года он провел в морской биологической лаборатории в Вудс-Холе, штат Массачусетс, чтобы использовать там электронный микроскоп. Там он встретил Хью Хаксли и Хэнсона, с которыми поделился данными и информацией об их работах. Они расстались, договорившись, что будут поддерживать связь, а когда их цель будет достигнута, они опубликуют вместе, если когда-нибудь «придут к аналогичным выводам».
Теория скользящей нити
Теория скользящей нити родилась из двух последовательных статей, опубликованных 22 мая 1954 года в журнале Nature под общей темой «Структурные изменения в мышцах во время сокращения». Хотя их выводы были фундаментально похожи, лежащие в их основе экспериментальные данные и предположения были разными.
Гипотеза Хаксли-Нидергерке
Первая статья, написанная Эндрю Хаксли и Рольфом Нидергерке, называется «Интерференционная микроскопия живых мышечных волокон». Это было основано на исследовании мышц лягушки с помощью интерференционного микроскопа, разработанного Эндрю Хаксли для этой цели. Согласно им:
- I-полосы состоят из актиновых нитей, а A-полосы - в основном из миозиновых нитей; а также
- во время сокращения актиновые филаменты перемещаются в полосы А между миозиновыми филаментами.
Гипотеза Хаксли-Хэнсона
Вторая статья, написанная Хью Хаксли и Джин Хэнсон, озаглавлена «Изменения поперечных полос мышц во время сокращения и растяжения и их структурная интерпретация». Он более сложен и основан на исследовании мышц кролика с использованием фазового контраста и электронных микроскопов. Согласно им:
- основу мышечного волокна составляют актиновые нити, которые простираются от линии Z до одного конца зоны H, где они прикреплены к эластичному компоненту, который они назвали S-нитью;
- миозиновые нити проходят от одного конца полосы А через зону Н до другого конца полосы А;
- миозиновые нити остаются относительно постоянной длины во время растяжения или сокращения мышц;
- если миозиновые нити сокращаются за пределы длины полосы А, их концы складываются вверх, образуя полосы сокращения;
- миозиновые и актиновые филаменты лежат бок о бок в полосе А и в отсутствие АТФ они не образуют поперечных связей;
- при растяжении увеличиваются в длине только I-полосы и H-зона, в то время как A-полосы остаются прежними;
- во время сокращения актиновые филаменты перемещаются в полосы A, и зона H заполняется, полосы I укорачиваются, линия Z входит в контакт с полосами A; а также
- возможной движущей силой сокращения являются актин-миозиновые связи, которые зависят от гидролиза АТФ миозином.
Прием и последствия
Несмотря на убедительные доказательства, теория скользящей нити не получила поддержки в течение нескольких лет. Сам Сент-Дьёрдьи отказывался верить в то, что миозиновые нити ограничены толстой нитью (полосой А). Ф.О. Шмитт, чей электронный микроскоп предоставил лучшие данные, также скептически относился к исходным изображениям. Были также непосредственные аргументы относительно организации нитей, были ли два набора нитей (миозин и актин) просто перекрывающимися или непрерывными. Только с помощью нового электронного микроскопа Хью Хаксли подтвердил перекрывающуюся природу волокон в 1957 году. Именно из этой публикации было ясно показано существование актин-миозиновой связи (теперь называемой поперечным мостиком). Но ему потребовалось еще пять лет, чтобы предоставить доказательства того, что поперечный мост представляет собой динамическое взаимодействие между актином и миозиновыми филаментами. Он получил реальное молекулярное расположение нитей с помощью рентгеновской кристаллографии, объединившись с Кеннетом Холмсом , который обучался у Розалинды Франклин в 1965 году. Это было только после конференции в 1972 году в лаборатории Колд-Спринг-Харбор , где обсуждалась теория и ее теория. были собраны доказательства, что это стало общепринятым. На конференции, как позже вспоминал Кочак Маруяма, Хансону пришлось ответить на критику, крикнув: «Я знаю, что пока не могу объяснить механизм, но скольжение - это факт». Фактические доказательства пришли в начале 1980-х, когда различные исследователи могли продемонстрировать реальное скользящее движение с использованием новых сложных инструментов.
Поперечно-мостовой механизм
Имея существенные доказательства, Хью Хаксли официально предложил механизм скользящей нити, который по-разному называют моделью качающегося поперечного моста, теорией поперечного моста или моделью поперечного моста. (Он сам предпочитал название «модель качающегося поперечного моста», потому что, как он вспоминал, «это [открытие], в конце концов, было в 1960-х».) Он опубликовал свою теорию в выпуске журнала Science от 20 июня 1969 года под заголовком « Механизм мышечного сокращения ». Согласно его теории, скольжение филаментов происходит за счет циклического прикрепления и отсоединения миозина от актиновых филаментов. Сокращение происходит, когда миозин тянет актиновую нить к центру полосы А, отделяется от актина и создает силу (удар) для связывания со следующей молекулой актина. Впоследствии эта идея была подробно доказана и более уместно известна как цикл перекрестных мостов .