Теория скользящей нити
Теория скользящих нитей объясняет механизм мышечного сокращения, основанный на мышечных белках, которые скользят друг мимо друга, вызывая движение. [1] Согласно теории скользящих нитей, миозин ( толстые нити ) мышечных волокон скользят мимо актина ( тонкие нити ) во время мышечного сокращения, в то время как две группы нитей остаются относительно постоянной длины.
Теория была независимо представлена в 1954 году двумя исследовательскими группами, одна из которых состояла из Эндрю Хаксли и Рольфа Нидергерке из Кембриджского университета , а другая — из Хью Хаксли и Джин Хэнсон из Массачусетского технологического института . [2] [3] Первоначально она была задумана Хью Хаксли в 1953 году. Эндрю Хаксли и Нидергерке представили ее как «очень привлекательную» гипотезу. [4]
До 1950-х годов существовало несколько конкурирующих теорий сокращения мышц, включая электрическое притяжение, сворачивание белков и их модификацию. [5] Новая теория непосредственно представила новую концепцию, называемую теорией поперечных мостов (классический качающийся поперечный мост, теперь в основном называемый циклом поперечных мостов ), которая объясняет молекулярный механизм скольжения нити. Теория перекрестных мостиков утверждает, что актин и миозин образуют белковый комплекс (классически называемый актомиозином ) путем прикрепления головки миозина к актиновой нити, тем самым образуя своего рода поперечный мостик между двумя нитями. Теория скользящих нитей — широко распространенное объяснение механизма, лежащего в основе сокращения мышц. [6]
История
[ редактировать ]Ранние работы
[ редактировать ]Первым мышечным белком, открытым немецким ученым Вилли Кюне , был миозин, который выделил и назвал его в 1864 году. [7] В 1939 году группа русских мужа и жены Владимир Александрович Энгельгардт и Милица Николаевна Любимова обнаружили, что миозин обладает ферментативным свойством (так называемым АТФазой ), которое может расщеплять АТФ с высвобождением энергии. [8] Альберт Сент-Дьердьи , венгерский физиолог, сосредоточил свое внимание на физиологии мышц после того, как получил Нобелевскую премию 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 в присутствии миозина А, и этот опыт он позже описал как «возможно, самый захватывающий момент в моей жизни». [9] Вместе с Бруно Ференцем Штраубом он вскоре обнаружил, что миозин B связан с другим белком, который они назвали актином, а миозин А — нет. Штрауб очистил актин в 1942 году, а Сент-Дьёрдьи очистил миозин А в 1943 году. Стало очевидно, что миозин В представляет собой комбинацию миозина А и актина, так что миозин А сохранил первоначальное название, тогда как миозин В был переименован в актомиозин. К концу 1940-х годов команда Сент-Дьёрдьи предположила, что сокращение актомиозина эквивалентно сокращению мышц в целом. [10] Но эта идея в целом была против, даже со стороны таких нобелевских лауреатов, как Отто Фриц Мейерхоф и Арчибальд Хилл , которые придерживались преобладающей догмы о том, что миозин является структурным белком, а не функциональным ферментом. [3] Однако в одном из своих последних вкладов в исследования мышц Сент-Дьёрдьи продемонстрировал, что актомиозин, управляемый АТФ, является основным принципом мышечного сокращения. [11]
Источник
[ редактировать ]
К тому времени, когда Хью Хаксли получил докторскую степень в Кембриджском университете в 1952 году за исследования структуры мышц, Сент-Дьёрдьи сосредоточил свою карьеру на исследованиях рака. [12] В сентябре 1952 года Хаксли отправился в Фрэнсиса О. Шмитта лабораторию в Массачусетском технологическом институте к нему присоединился другой английский постдокторант Джин Хэнсон. с постдокторской стипендией, где в январе 1953 года Хэнсон имел докторскую степень в области мышечной структуры. из Королевского колледжа в Лондоне в 1951 году. Хаксли использовал дифракцию рентгеновских лучей , чтобы предположить, что мышечные белки, особенно миозин, образуют структурированные нити, дающие начало саркомеру (сегменту мышечного волокна). Их основной целью было использовать электронную микроскопию для изучения деталей этих нитей, как никогда раньше. Вскоре они обнаружили и подтвердили нитевидную природу мышечных белков. Миозин и актин образуют перекрывающиеся нити, причем миозиновые нити в основном составляют полосу А (темная область саркомера), в то время как нити актина пересекают полосы А и I (светлая область). [13] Хаксли был первым, кто предложил теорию скользящей нити в 1953 году, заявив:
«…[Если] постулируется, что растяжение мышцы происходит не за счет растяжения нитей, а за счет процесса, в котором два набора нитей скользят [курсив добавлен] мимо друг друга; тогда растяжимость будет подавлена. если миозин и актин связаны друг с другом». [14]
Позже, в 1996 году, Хаксли пожалел, что ему следовало включить Хэнсона в формулировку своей теории, поскольку она была основана на их совместной работе. [15]
Эндрю Хаксли , которого Алан Ходжкин назвал «волшебником с научным аппаратом», только что открыл механизм передачи нервного импульса ( потенциала действия ) (за который он и Ходжкин позже получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году) в 1949 году, используя разработал собственную конструкцию зажима напряжения и искал помощника, который мог бы правильно рассекать мышечные волокна. [16] По рекомендации близкого друга Роберта Штемпфли немецкий врач Рольф Нидергерке в 1952 году к нему в Кембриджском университете присоединился . К тому времени он понял, что традиционно используемый фазово-контрастный микроскоп не подходит для исследования тонких структур мышечных волокон, и поэтому разработал свою собственный интерференционный микроскоп . С марта 1953 г. по январь 1954 г. они проводили свои исследования. [17] 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 ). [18] Лето 1953 года он провел в морской биологической лаборатории в Вудс-Хоул, 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, будут публиковаться вместе, если когда-нибудь «придут к аналогичным выводам». [2]
Теория скользящей нити
[ редактировать ]
Теория скользящих нитей родилась из двух последовательных статей, опубликованных в журнале Nature от 22 мая 1954 года под общей темой «Структурные изменения в мышцах во время сокращения». Хотя их выводы были фундаментально схожи, лежащие в их основе экспериментальные данные и предположения были разными.
Гипотеза Хаксли-Нидергерке
[ редактировать ]Первая статья, написанная Эндрю Хаксли и Рольфом Нидергерке, называется «Интерференционная микроскопия живых мышечных волокон». Он был основан на исследовании мышц лягушки с помощью интерференционного микроскопа, который Эндрю Хаксли разработал для этой цели. По их словам: [4]
- полосы I состоят из актиновых нитей, а полосы A преимущественно из нитей миозина; и
- во время сокращения актиновые нити перемещаются в полосы А между нитями миозина.
Гипотеза Хаксли-Хэнсона
[ редактировать ]Вторая статья, написанная Хью Хаксли и Джин Хэнсон, называется «Изменения в поперечной исчерченности мышц во время сокращения и растяжения и их структурная интерпретация». Он более сложен и основан на исследовании мышц кролика с использованием фазового контраста и электронного микроскопа. По их словам: [19]
- 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 сгибаются, образуя полосы сокращения;
- миозиновые и актиновые нити лежат рядом в полосе А и в отсутствие АТФ не образуют поперечных связей;
- при растяжении увеличиваются в длине только I-полосы и Н-зона, а А-полосы остаются прежними;
- при сокращении актиновые нити перемещаются в полосы А и зона Н заполняется, уменьшая ее растяжение, полосы I укорачиваются, линия Z соприкасается с полосами А; и
- Возможной движущей силой сокращения являются актин-миозиновые связи, которые зависят от гидролиза АТФ миозином.
Прием и последствия
[ редактировать ]Несмотря на убедительные доказательства, теория скользящей нити не получила поддержки в течение нескольких последующих лет. [20] Сам Сент-Дьёрдьи отказывался верить в то, что миозиновые нити ограничиваются толстыми нитями (полоса А). [15] Ф.О. Шмитт, чей электронный микроскоп предоставил наилучшие данные, также скептически отнесся к оригинальным изображениям. [21] Сразу возникли споры относительно организации филаментов, были ли два набора филаментов (миозин и актин) просто перекрывающимися или непрерывными. Только с помощью нового электронного микроскопа Хью Хаксли подтвердил перекрывающуюся природу нитей в 1957 году. [22] Именно в 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 мостик представляет собой динамическое взаимодействие между нитями актина и миозина. [23] Он получил фактическое молекулярное расположение нитей с помощью рентгеновской кристаллографии, объединившись с Кеннетом Холмсом , которого обучала Розалинд Франклин , в 1965 году. [24] И только после конференции в 1972 году в лаборатории Колд-Спринг-Харбор , на которой обсуждалась теория и ее доказательства, она стала общепринятой. [25] На конференции, как позже вспоминал Коскак Маруяма, Хэнсону пришлось отвечать на критику криком: «Я знаю, что пока не могу объяснить механизм, но скольжение — это факт». [26] Фактические доказательства появились в начале 1980-х годов, когда различные исследователи смогли продемонстрировать фактическое скользящее движение с использованием новых сложных инструментов. [27] [28] [29]
Поперечно-мостовой механизм
[ редактировать ]Имея веские доказательства, Хью Хаксли официально предложил механизм скольжения нити, который по-разному называют моделью качающегося поперечного моста, теорией поперечного моста или моделью перекрестного моста. [3] [30] (Сам он предпочитал название «модель качающегося поперечного моста», потому что, как он вспоминал, «это [открытие] было, в конце концов, 1960-х годов». [2] ) Он опубликовал свою теорию в выпуске журнала Science от 20 июня 1969 года под названием «Механизм мышечного сокращения». [31] Согласно его теории, скольжение нитей происходит за счет циклического прикрепления и отсоединения миозина к актиновым нитям. Сокращение происходит, когда миозин тянет актиновую нить к центру полосы А, отрывается от актина и создает силу (удар) для связывания со следующей молекулой актина. [32] Эта идея впоследствии была подробно доказана и более точно известна как цикл с перекрестным мостом . [33]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сильверторн, Ди Унглауб (2016). «Мышцы». Физиология человека: комплексный подход (7-е изд.). Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон. стр. 377–416. ISBN 978-0-321-98122-6 .
- ^ Jump up to: а б с Хаксли, Хью Э. (2004). «Пятьдесят лет мышц и гипотеза скользящей нити» . Европейский журнал биохимии . 271 (8): 1403–1415. дои : 10.1111/j.1432-1033.2004.04044.x . ПМИД 15066167 .
- ^ Jump up to: а б с Андерсен, ОС (2004). «50-летие скользящей нити» . Журнал общей физиологии . 123 (6): 629. doi : 10.1085/jgp.200409079 . ПМК 2234570 .
- ^ Jump up to: а б Хаксли, А.Ф.; Нидергерке, Р. (1954). «Интерференционная микроскопия живых мышечных волокон». Природа . 173 (4412): 971–973. Бибкод : 1954Natur.173..971H . дои : 10.1038/173971a0 . ПМИД 13165697 . S2CID 4275495 .
- ^ Ралл, Джек А. (2014). Механизм мышечного сокращения . Нью-Йорк: Springer Science + Business Media. стр. 21–23. дои : 10.1007/978-1-4939-2007-5 . ISBN 978-1-4939-2006-8 . S2CID 26766432 .
- ^ Вуд, AW (2012). «Биофизика скелетных мышц». Физиология, биофизика и биомедицинская инженерия . Тейлор и Фрэнсис. стр. 158–162. ISBN 978-1-46-655279-1 .
- ^ Хартман, Массачусетс; Спудич, Дж. А. (2012). «Краткий обзор суперсемейства миозина» . Журнал клеточной науки . 125 (7): 1627–1632. дои : 10.1242/jcs.094300 . ПМЦ 3346823 . ПМИД 22566666 .
- ^ Энгельхардд, Вашингтон; Любимова, Миннесота (1939). «Миозин и аденозинтрифосфатаза». Природа . 144 (3650): 668–669. Бибкод : 1939Natur.144..668E . дои : 10.1038/144668b0 . S2CID 4084186 .
- ^ Сент-Дьёрдьи, Альберт (1963). «Затерянный в ХХ веке» . Ежегодный обзор биохимии . 32 (1): 1–15. дои : 10.1146/annurev.bi.32.070163.000245 . ПМИД 14140702 .
- ^ Сент-Дьёрдьи, АГ (2004). «Ранняя история биохимии мышечного сокращения» . Журнал общей физиологии . 123 (6): 631–641. дои : 10.1085/jgp.200409091 . ПМК 2234565 . ПМИД 15173217 .
- ^ Сент-Дьёрдьи, А (1949). «Отношения свободной энергии и сокращение актомиозина» . Биологический вестник . 96 (2): 140–161. дои : 10.2307/1538196 . JSTOR 1538196 . ПМИД 18120626 .
- ^ Ралл, Джек А. (2014). Механизм мышечного сокращения . п. 23.
- ^ Хэнсон, Джин; Хаксли, Хью Э. (1953). «Структурная основа поперечной исчерченности мышц». Природа . 172 (4377): 530–532. Бибкод : 1953Natur.172..530H . дои : 10.1038/172530b0 . ПМИД 13099257 . S2CID 4220823 .
- ^ Хаксли, HE (1953). «Электронно-микроскопические исследования организации филаментов поперечно-полосатой мышцы». Биохимика и биофизика Acta . 12 (3): 387–394. дои : 10.1016/0006-3002(53)90156-5 . ПМИД 13115446 .
- ^ Jump up to: а б Хаксли, HE (1996). «Личный взгляд на механизмы мышц и моторики». Ежегодный обзор физиологии . 58 (1): 1–19. дои : 10.1146/annurev.ph.58.030196.000245 . ПМИД 8815787 .
- ^ Голдман, Йель Э.; Франзини-Армстронг, Клара; Армстронг, Клей М. (2012). «Эндрю Филдинг Хаксли (1917–2012)» . Природа . 486 (7404): 474. Бибкод : 2012Natur.486..474G . дои : 10.1038/486474a . ПМИД 22739307 .
- ^ Ралл, Джек А. (2014). Механизм мышечного сокращения . стр. 30–33, 41.
- ^ Хаксли, А.Ф. (1986). «Открытия мышц: наблюдения, теория и эксперимент» . Британский медицинский журнал . 293 (6539): 115–117. дои : 10.1136/bmj.293.6539.115 . ПМЦ 1340847 . ПМИД 3089413 .
- ^ Хаксли, Х.; Хэнсон, Дж. (1954). «Изменения поперечной исчерченности мышц при сокращении и растяжении и их структурная интерпретация». Природа . 173 (4412): 973–976. Бибкод : 1954Natur.173..973H . дои : 10.1038/173973a0 . ПМИД 13165698 . S2CID 4180166 .
- ^ Спудич, Дж. (2013). «Воспоминания о Хью Э. Хаксли (1924–2013)» . Молекулярная биология клетки . 24 (18): 2769–2771. doi : 10.1091/mbc.E13-08-0454 . ПМК 3771940 . ПМИД 24030511 .
- ^ Хаксли, Хью Э. (2008). «Воспоминания о ранних работах по сокращению и регуляции мышц в 1950-х и 1960-х годах». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 369 (1): 34–42. дои : 10.1016/j.bbrc.2007.11.130 . ПМИД 18070595 .
- ^ Хаксли, HE (1957). «Двойной набор нитей в поперечно-полосатой мышце» . Журнал биофизической и биохимической цитологии . 3 (5): 631–648. дои : 10.1083/jcb.3.5.631 . ПМК 2224118 . ПМИД 13475381 .
- ^ Хаксли, HE (1963). «Электронно-микроскопические исследования строения природных и синтетических белковых нитей поперечно-полосатой мышцы». Журнал молекулярной биологии . 7 (3): 281–308. дои : 10.1016/s0022-2836(63)80008-x . ПМИД 14064165 .
- ^ Хаксли, HE; Браун, В.; Холмс, КЦ (1965). «Постоянство осевых расстояний в портняжной мышце лягушки при сокращении» . Природа . 206 (4991): 1358. Бибкод : 1965Natur.206.1358H . дои : 10.1038/2061358a0 . ПМИД 5838248 . S2CID 4199846 .
- ^ Кук, Р. (2004). «Модель скользящей нити: 1972-2004 гг.» . Журнал общей физиологии . 123 (6): 643–656. дои : 10.1085/jgp.200409089 . ПМЦ 2234572 . ПМИД 15173218 .
- ^ Маруяма, К. (1995). «Рождение концепции скользящей нити при сокращении мышц» . Журнал биохимии . 117 (1): 1–6. doi : 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a124692 . ПМИД 7775372 .
- ^ Дживс, Майкл А. (2002). «Расширение теории рычага». Природа . 415 (6868): 129–131. Бибкод : 2002Natur.415..129G . дои : 10.1038/415129а . ПМИД 11805818 . S2CID 30618615 .
- ^ Спудич, Дж. А. (1989). «В поисках функции миозина» . Регуляция клеток . 1 (1): 1–11. дои : 10.1091/mbc.1.1.1 . ПМК 361420 . ПМИД 2519609 .
- ^ Янагида, Тосио; Арата, Тошиаки; Осава, Фумио (1985). «Расстояние скольжения актиновой нити, индуцированное миозиновым поперечным мостиком во время одного цикла гидролиза АТФ». Природа . 316 (6026): 366–369. Бибкод : 1985Natur.316..366Y . дои : 10.1038/316366a0 . ПМИД 4022127 . S2CID 4352361 .
- ^ Дюк, ТАДЖ (1999). «Молекулярная модель мышечного сокращения» . Труды Национальной академии наук . 96 (6): 2770–2775. Бибкод : 1999PNAS...96.2770D . дои : 10.1073/pnas.96.6.2770 . ПМК 15844 . ПМИД 10077586 .
- ^ Хаксли, HE (1969). «Механизм мышечного сокращения». Наука . 164 (3886): 1356–1366. Бибкод : 1969Sci...164.1356H . дои : 10.1126/science.164.3886.1356 . ПМИД 4181952 . S2CID 43434748 .
- ^ Спудич, Джеймс А. (2001). «Модель качающегося поперечного мостика миозина». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 2 (5): 387–392. дои : 10.1038/35073086 . ПМИД 11331913 . S2CID 6214339 .
- ^ Фиттс, Р.Х. (2007). «Цикл перекрестного моста и усталость скелетных мышц». Журнал прикладной физиологии . 104 (2): 551–558. CiteSeerX 10.1.1.569.8211 . doi : 10.1152/japplphysicalol.01200.2007 . ПМИД 18162480 . S2CID 21949216 .