Страйер Л. Биохимия. Том 3

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 34.20. Схематическое изображение

саркоплазматического ретику-

лума. [Peachey L. D., J. Cell

Biol., 25, 222 (1965).]

креатин и фосфоаргинин называют фосфа-

генами.

В работающей мышце запас фосфо-

креатина быстро истощается, а следо-

вательно, снижается и содержание АТР. При

этом возрастает концентрация ADP и P

а также - под действием аденилаткиназы

(миокиназы) - содержание AMP:

2ADP АТР + AMP.

Понижение энергетического заряда при-

водит к стимуляции гликолиза, цикла три-

карбоновых кислот и окислительного фос-

форилирования (разд. 14.13) в работающей

мышце. Относительный вклад каждого из

этих процессов в генерирование АТР зави-

сит от типа мышц. Так, в красных мышцах,

цвет которых обусловлен высоким содержа-

нием миоглобина и цитохромов дыхатель-

ной цепи, уровень аэробного обмена намно-

го выше, чем в белых мышцах.

34.13. Актин и миозин служат

сократительными элементами почти во всех

эукариотических клетках

Давно уже установлено, что многие немы-

шечные клетки способны передвигаться

и менять свою форму. Миграция клеток

в процессе развития эмбриона, передвиже-

ние макрофагов к поврежденным тканям,

ретракция сгустка тромбоцитами, биение

микроворсинок кишечного эпителия - все

это примеры, иллюстрирующие универсаль-

ность клеточной подвижности. Некоторые

аспекты подвижности клеток можно иссле-

довать на культурах ткани. Так, культиви-

руемые клетки различных типов имеют пло-

ские складчатые выросты, так называемые

ламеллиподии, форма которых медленно ме-

няется. Они напоминают легкие складки

платья на ветерке, и потому их называют

также складчатыми краями или активными

краями (рис. 34.21). Складчатые края высту-

пают наружу на несколько микрометров, и

с их помощью клетка может прикрепляться

34. Мышечное сокращение

и подвижность клеток

271

Рис. 34.21. Слизистый плесневой гриб

Dictyostelium discoideum в скани-

рующем электронном микро-

скопе. Этот организм может

существовать либо в виде сво-

бодных клеток, либо как часть

организованной колонии. На

поверхности Dictyostelium хо-

рошо видны активные края

и филоподии, богатые акти-

ном. (Печатается с любезного

разрешения д-ра James

Spudich.)

к поверхности. Если прикрепившаяся клетка

втягивает складки на одном конце и вытяги-

вает на другом, то при этом она постепенно

перемещается.

Каковы молекулярные основы движения

клеток? Первые сведения по этому вопросу

были получены Ариелем Лёви (Ariel Loewy)

при изучении слизистого плесневого гриба

Physarum polycephalum. Этот слизевик обра-

зует плазмодий и содержит перетекающие

массы цитоплазмы. Полученные при высо-

кой ионной силе экстракты гриба были

сходны по свойствам с актомиозином попе-

речнополосатых мышц. Так, добавление

АТР вызывало быстрое падение вязкости,

которая затем вновь медленно возрастала

по мере гидролиза АТР. Спустя несколько

лет Садаси Гатано и Фумио Осава (Sadashi

Hatano, Fumio Osawa) обнаружили в грибе

высокое содержание актина, очень сходного

с мышечным. Он образовывал тонкие нити

и взаимодействовал с миозином. Самое ин-

272

Часть V.

Молекулярная физиология

тересное, что актин плесневого гриба взаи-

модействовал с S1-головками миозина ске-

летных мышц позвоночных, причем возни-

кали декорированные нити, подобные тем,

которые образуются из актина и миозина

позвоночных. Оказалось, что плесневой ак-

тин отличается от актина мышц кролика

только по 17 из 375 аминокислотных остат-

ков. Следовательно, актин - это высококон-

сервативный, древний белок эукариот. Ана-

логично актину из рассматриваемого плес-

невого гриба, а также из многих других

эукариотических клеток был выделен и мио-

зин. Однако свойства миозинов из разных

источников варьировали в большей степени,

чем свойства актинов, выделенных из тех

же источников. Например, миозины из мно-

гих немышечных клеток не способны к бы-

строму формированию таких толстых ни-

тей, какие образуются из миозина ске-

летных мышц. Немышечные миозины обра-

зуют короткие биполярные нити.

34.14. Распределение микрофиламентов

в клетке выявляется методом

иммунофлуоресцентной микроскопии

Как правило, клетки эукариот богаты акти-

ном, содержание которого составляет обыч-

но 10% общего количества белка. По суще-

ству, актин - количественно превалирующий

белок во многих типах клеток. Содержание

миозина в немышечных клетках обычно в 10

раз ниже, чем актина. Следовательно, коли-

чественное отношение актина к миозину

в немышечных клетках выше, чем в мыш-

цах.

Часть актина в немышечных клетках по-

лимеризуется с образованием микрофила-

ментов (рис. 34.22), напоминающих тонкие

нити мышечного волокна. Микрофила-

Рис. 34.22. Электронная микрофотогра-

фия, демонстрирующая боль-

шое количество микрофила-

ментов в цитоскелете фибро-

бластов эмбриона цыпленка.

(Печатается с любезного разре-

шения д-ра Susan Brown.)

менты диаметром 70А выявляются на элек-

тронных микрофотографиях почти всех

клеток эукариот. Декорирование микрофи-

ламентов головками S1 приводит к возник-

новению характерной структуры регулярно

расположенных стрелок; из этого следует,

что микрофиламенты состоят из актина

и могут взаимодействовать с миозином

(рис. 34.23).

Распределение микрофиламентов в клет-

ке выявляется с помощью иммунофлуорес-

центной микроскопии. Метод состоит в том,

что получают специфические к актину анти-

тела, ковалентно связывают их с флуорес-

центной меткой, например с флуоресцеи-

ном, и добавляют к культивируемым клет-

кам. В результате проявляется сеть микро-

филаментов, видимая под флуоресцентным

микроскопом (рис. 34.24). Некоторые пучки

флуоресцирующих нитей тянутся через всю

клетку. В покоящейся клетке, прикреплен-

ной к твердому субстрату, многие акти-

новые нити идут параллельно длинной оси

клетки. В складчатых краях, напротив, флуо-

ресценция имеет диффузный характер, что

связано с наличием мономеров актина или

Рис. 34.23. Электронная микрофотогра-

фия F-актина из Dictyostelium,

декорированного S1-головка-

ми миозина также из

Dictyostelium. Видно, что обра-

зуются такие же «наконечники

стрел», как и в случае декориро-

вания F-актина скелетных

мышц S1-головками мышечно-

го миозина. (Печатается с лю-

безного разрешения д-ра James

Spudich.)

34. Мышечное сокращение

и подвижность клеток

273

Рис. 34.24. Иммунофлуоресцентная ми-

крофотография прикреплен-

ной к поверхности покоящейся

культивируемой клетки. Клет-

ка окрашена флуоресцирую-

щими антителами против акти-

на. Видны длинные пучки ми-

крофиламентов. (С любезного

разрешения Elias Lazarides.)

коротких нитей актина (рис. 34.25). Мето-

дом иммунофлуоресцентной микроскопии

было также исследовано внутриклеточное

распределение других сократительных бел-

ков. В микрофиламентах был обнаружен

тропомиозин (рис. 34.26), тогда как тропо-

нина в них, по-видимому, нет. Ионы кальция

играют важную роль в регуляции не только

мышечной, но и немышечной подвижности,

хотя в целом эти два процесса регулируются

по-разному. Относительно внутриклеточно-

го распределения миозина известно очень

мало. В немышечных клетках обнаружен

также α-актинин, который в мышцах связы-

вает актин с Z-пластинками миофибрилл.

Этот белок присутствует в наибольшем ко-

личестве в складчатых краях и других участ-

ках клетки, где происходит быстрое форми-

рование и распад нитей актина. Возможно,

что α-актинин создает мостики между нитя-

ми актина в цитоскелете и другими образо-

ваниями, связанными с подвижностью.

274

Часть V.

Молекулярная физиология

34.15. Прикрепленные к мембране

нити актина опосредуют сокращение

микроворсинок кишечника

Микроворсинки эпителиальных клеток ки-

шечника (рис. 34.27) - это одна из наиболее

изученных немышечных сократительных си-

стем. Микроворсинки представляют собой

выпячивания цитоплазмы на апикальной

Рис. 34.25. Более диффузное распределе-

ние нитей актина в движущейся

клетке, особенно в ее активных

краях. (Печатается с любезного

разрешения д-ра Elias Laza-

rides.)

Рис. 34.26. В клетках, окрашенных флуо-

ресцирующими антителами

против актина, видны похожие

на геодезические вышки купо-

лообразные структуры. (Печа-

тается с любезного разрешения

д-ра Elias Lazarides.)

поверхности эпителиальных клеток кишеч-

ника, и в своей массе они образуют так на-

зываемую щеточную каемку, видимую

в световом микроскопе. Каждая из микро-

ворсинок содержит пучок актиновых нитей,

которые на выступающем конце прикре-

пляются к плазматической мембране. Кро-

ме того, во многих точках вдоль микровор-

синки актиновые нити связаны с плазмати-

ческой мембраной тонкими нитевидными

соединениями. Остов актиновых филамен-

тов проникает под поверхность клетки, до-

стигая так называемой терминальной сети.

Плазматическую мембрану изолированных

щеточных каемок можно удалить, обрабо-

тав их детергентом; остальная часть струк-

туры при этом сохраняется интактной. Был

обнаружен поразительный факт: лишенная

мембраны щеточная каемка сокращается

при добавлении АТР и Са

и актиновые

нити быстро погружаются в терминальную

сеть.

Какова структурная основа этой подвиж-

ности? Путем декорирования актиновых ни-

тей микроворсинок S1-головками миозина

было выявлено, что все нити имеют одина-

ковую полярность (рис. 34.28). Образовав-

шиеся стрелки оказались направленными

к основанию микроворсинок (подобно тому

как на декорированных тонких нитях мы-

шечных волокон стрелки направлены в сто-

рону Z-пластинок). Другими словами, по-

лярность актиновых нитей такова, что

микроворсинки при сокращении втягивают-

ся в клетку. Было также обнаружено, что

в терминальной сети имеются толстые нити,

содержащие миозин. По всей вероятности,

биполярные миозиновые нити терминаль-

ной сети взаимодействуют с нитями актина

прилежащих ворсинок (рис. 34.28). Соглас-

но этой гипотезе, нити актина скользят от-

Рис. 34.27. Электронная микрофотогра-

фия щеточной каемки кишеч-

ного эпителия. Микроворсинки

содержат нити актина.

[Mooseker M. S., Tilney L. G.,

J. Cell Biol., 67, 725 (1975).]

34. Мышечне сокращение

и подвижность клеток

275

носительно нитей миозина, так что в целом

движение направлено к центру клетки.

В итоге микроворсинки укорачиваются, что

способствует всасыванию питательных ве-

ществ клеткой.

34.16. Цитохалазин и фаллоидин тормозят

подвижность, сопряженную с процессами

сборки и дезагрегации нитей актина

Цитохалазин В (алкалоид из грибов) при до-

бавлении к эукариотическим клеткам изме-

няет их форму и подавляет многие формы

подвижности. Так, этот алкалоид ингиби-

рует образование складчатых краев у фи-

бробластов, отрастание аксонов от ган-

глиев, ретракцию кровяного сгустка тром-

боцитами, деление оплодотворенной яйце-

клетки морского ежа. Судя по данным

электронной микроскопии, цитохалазин

оказывает влияние на микрофиламенты, так

как они исчезают в клетках, обработанных

этим алкалоидом. Оказалось, что цитохала-

зин препятствует сборке актиновых нитей,

специфически взаимодействуя с одним из

концов нити. Этот ингибиторный эффект

цитохалазина свидетельствует о динамич-

ности структуры микрофиламентов.

Значение постоянно идущих процессов

сборки и дезагрегации микрофиламентов

для клеточного движения было выявлено

также при изучении механизма действия

фаллоидина. Этот токсический агент присут-

ствует в ядовитом грибе Amanita phalloides,

содержащем также α-аманитин - ингибитор

276

Часть V.

Молекулярная физиология

РНК-полимеразы (разд. 29.18). Подобно ци-

тохалазину, фаллоидин блокирует те формы

подвижности, в которых участвуют микро-

филаменты. Фаллоидин присоединяется

к единицам актина в микрофиламентах

и тем самым препятствует его деполяриза-

ции. Таким образом, фаллоидин как бы за-

пирает микрофиламенты.

34.17. Микротрубочки участвуют

в различных видах клеточной подвижности

и частично формируют цитоскелет

До сих пор мы рассматривали роль микро-

филаментов в различных видах клеточной

подвижности. Обратимся теперь к другому

классу волокнистых элементов, а именно

к микротрубочкам, которые имеются прак-

тически во всех эукариотических клетках

и участвуют как в поддержании архитек-

туры клетки, так и в сократительной актив-

ности (рис. 34.29). Микротрубочки

представляют собой полые цилиндрические

структуры, образованные из двух сходных

(массой по 55 кДа) типов субъединиц - α-

и β-тубулина. Наружный диаметр микро-

трубочек составляет около 240 А, и этим они

четко отличаются от микрофиламентов

(диаметром 70 А) и от промежуточных фи-

ламентов (структур диаметром 100 А, вы-

полняющих роль связывающих элементов).

Жесткая стенка микротрубочек образована

из спирально уложенных, чередующихся

Рис. 34.28. Предполагаемое расположе-

ние миозина и актина в ми-

кроворсинках щеточной каем-

ки кишок. [Mooseker M. S., Til-

ney L.G., J. CellBiol., 67, 725

(1975).]

Рис. 34.29. Иммунофлуоресцентная ми-

крофотография, демонстри-

рующая распределение микро-

трубочек в фибробласте. (Печа-

тается с любезного разрешения

д-ра Klaus Weber.)

α- и β-тубулиновых субъединиц (рис. 34.30).

Повторяющейся единицей структуры

является αβ-димер, и в целом структура

образована из 13 протофиламентов, идущих

параллельно длинной оси микротрубочки.

Сборка и дезагрегация микротрубочек

происходят с противоположных концов. Ал-

калоид из осенних крокусов колхицин бло-

кирует сборку и тем самым тормозит кле-

точные процессы, протекающие с участием

микротрубочек. Например, колхицин оста-

навливает клеточное деление на стадии ме-

тафазы, так как микротрубочки имеют су-

щественное значение для расхождения хро-

мосом. Колхицин ингибирует также направ-

ленное движение разного рода частиц

в клетках, что лежит в основе торможения

процессов их секреции. На протяжении не-

скольких веков колхицин используют для

лечения острых приступов подагры.

34.18. Биение ресничек и движение жгутиков

обусловлено скольжением микротрубочек,

индуцированным динеином

Микротрубочки являются основными ком-

понентами ресничек и жгутиков у эукариот.

Эти органеллы имеются во многих клетках.

Подвижные реснички, подобно веслам, вы-

зывают ток жидкости параллельно поверх-

ности клетки. Так, координированное дви-

жение ресничек, выстилающих дыхательные

пути, способствует удалению чужеродных

частиц. Жгутики необходимы для продви-

жения свободных клеток, таких, как спермии

или простейшие. Как показали электронно-

микроскопические исследования, структура

ресничек и жгутиков практически у всех эу-

кариот в основе своей одинакова. Это пучок

волокон, называемый аксонемой, который

окружен мембраной, составляющей продол-

жение плазматической мембраны. Волокна

в аксонеме - это микротрубочки. По перифе-

34. Мышечное сокращение

и подвижность клеток

277

Рис. 34.30. Спиральное расположение ту-

булиновых субъединиц в ми-

кротрубочке. А - схематиче-

ское изображение поперечного

среза; видно, что микротрубоч-

ка образована 13 протофила-

ментами. Б - поверхностная ре-

шетка из α- и β-субъединиц.

[Snyder J. A., McIntosh J. R.,

Ann. Rev. Biochem., 45, 706

(1976).]

Рис. 34.31. Электронная микрофотогра-

фия поперечного среза аксо-

немы жгутика. Девять на-

ружных двойных микротрубо-

чек окружают две одинарные.

(Печатается с любезного разре-

шения д-ра Joel Rosenbaum.)

278

Часть V.

Молекулярная физиология

рии расположены девять двойных микро-

трубочек, в центре - две одинарные микро-

трубочки (рис. 34.31). Такой часто встре-

чающийся структурный мотив известен как

расположение 9 + 2. Диаметр двух цен-

тральных микротрубочек равен 240 А. Каж-

дая из девяти периферических пар на попе-

речном срезе имеет вид цифры 8 и размер

370 х 250 А (рис. 34.32). Одна из микротру-

бочек в паре - субфибрилла А - меньше по

размеру и присоединяется к центральной

капсуле реснички с помощью радиального

мостика. От каждой субфибриллы А отхо-

дят две ручки. В отдельной ресничке все руч-

ки направлены в одну сторону. Обработка

ресничек детергентом и далее раствором со-

лей высокой концентрации приводит к уда-

лению наружной мембраны и солюбилиза-

ции АТРазы, называемой динеином.

В результате этой обработки располо-

женные на периферии волокна сохраняют

свою цилиндрическую попарную организа-

цию, но утрачивают ручки. При добавлении

динеина в соответствующей ионной среде

ручки восстанавливаются. Следовательно,

состоящие из динеина ручки субфибриллы

А обладают АТРазной активностью.

Каким образом расщепление АТР динеи-

ном вызывает движение ресничек и жгути-

ков? Как показали Питер Сатир и Ян Гиб-

бонс (Peter Satir, Jan Gibbons), перифериче-

ские двойные микротрубочки аксонемы

скользят относительно друг друга и тем

самым вызывают изгиб реснички. Само

скольжение обусловлено образованием ди-

неиновых поперечных мостиков. По-видимо-

му, динеиновые ручки одной пары микро-

трубочек по мере гидролиза АТР продви-

гаются вдоль прилегающей пары совершен-

но аналогично тому, как в скелетной мышце

миозиновые поперечные мостики движутся

вдоль актиновой нити. В интактной реснич-

ке радиальные мостики противодействуют

скольжению, и благодаря им происходит не

сокращение реснички, а локальный изгиб.

При обследовании группы больных хро-

ническими легочными заболеваниями были

обнаружены аксонемы, лишенные динеина.

В этом случае, как показал Бьёрн Афзелиус

(Bjorn Afzelius), реснички эпителия дыха-

тельных путей оказались неподвижными.

Более того, мужчины с этим генетическим

дефектом были стерильны вследствие непо-

движности их сперматозоидов. В другом,

недавно обнаруженном случае неподвиж-

ность ресничек и жгутиков оказалась обус-

ловленной дефектом радиальных мостиков.

Рис. 34.32. Схематическое изображение

структуры аксонемы.

Эти клинические наблюдения подтвер-

ждают существующие представления о ме-

ханизме движения рассматриваемых орга-

нелл.

Заключение

Поперечнополосатая мышца позвоночных

состоит из белковых нитей двух типов, ко-

торые взаимодействуют друг с другом.

Толстые нити содержат миозин, а тон-

кие - актин, тропомиозин и тропонин. Ги-

дролиз АТР актомиозином вызывает сколь-

жение указанных нитей относительно друг

друга. Миозин представляет собой очень

большой по массе белок (500 кДа), состоя-

щий из двух основных цепей и четырех лег-

ких цепей. Конформация основных цепей

такова, что они содержат две глобулярные

области (головки S1) и присоединенный

к ним длинный α-спирализованный стер-

жень. Головки S1 и часть стержня образуют

поперечные мостики, которые взаимодей-

ствуют с актином, генерируя силу сокраще-

ния. Остальная часть молекулы миозина

создает скелет толстой нити. Актин - основ-

ной компонент тонких нитей - представляет

собой глобулярный белок (42 кДа), который

полимеризуется с образованием нитей диа-

метром 70 А. Толстые и тонкие нити опреде-

ленным образом направлены, причем посе-

редине между двумя Z-пластинками это

направление меняется на противоположное.

Циклическое образование и диссоциация

комплексов между миозиновыми попе-

речными мостиками, выступающими из

толстых нитей, и единицами актина тонких

нитей происходят за счет энергии АТР;

Рис. 34.33. Динеиновые ручки располо-

жены вдоль микротрубочек

с правильной периодичностью.

Электронные микрофотогра-

фии интактной аксонемы (А)

и микротрубочки, реконструи-

рованной из тубулина и дине-

ина (Б). [Haimo L. Т.,

Telzer В. R., Rosenbaum J. L.,

Ргос Nat. Acad. Sci., 76, 5760

(1979).]

34. Мышечное сокращение

и подвижность клеток

279

Рис. 34.34. Внутренняя поверхность плаз-

матической мембраны фибро-

бласта под электронным ми-

кроскопом. Ясно видны нити

актина (декорированные S1-го-

ловками миозина) и окай-

мленные ямки на мембране.

(Печатается с любезного разре-

шения д-ра John Heuser.)

образование комплексов ведет к уменьше-

нию расстояния между Z-пластинками. «Ра-

бочим ходом» является поворот S1-головки

миозина, находящейся в комплексе с акти-

ном. В генерировании силы сокращения

важную роль играют шарнирные соедине-

ния между доменами миозина. Мышечное

сокращение регулируется Са

, причем эф-

фект Са

опосредован тропонином и тро-

помиозином. При низкой концентрации

Са

эти белки ингибируют взаимодействие

актина и миозина. Нервный импульс запу-

скает высвобождение Са

из саркоплазма-

тического ретикулума. Далее ионы кальция

связываются с тропонином, что инициирует

серию конформационных сдвигов, разре-

шающих в итоге взаимодействие актина

и миозина.

Актин и миозин - эволюционно древние

280

Часть V.

Молекулярная физиология

белки, о чем свидетельствует тот факт, что

они содержатся уже в слизистых грибах.

В сущности, эти белки участвуют в сократи-

тельной активности практически всех эука-

риотических клеток. Особенно распростра-

нен актин, образующий микрофиламенты

диаметром около 70 А. Микрофиламенты

участвуют в разных видах клеточной под-

вижности, например в миграции клеток

в ходе развития, ретракции кровяного сгуст-

ка тромбоцитами, передвижении макрофа-

гов к поврежденным тканям. Сокращение

ворсинок щеточной каемки кишечного эпи-

телия опосредовано взаимодействием нитей

актина с биполярными нитями миозина; по-

следние в эпителиальных клетках кишечни-

ка меньше по размеру и содержатся в мень-

шем относительном количестве по сравне-

нию с мышцами. Цитохалазин и фаллоидин

тормозят те виды клеточной подвижности,

которые связаны с агрегацией и диссоциа-

цией нитей актина. Цитохалазин ингибирует

сборку, а фаллоидин - распад микрофила-

ментов.

В клетках эукариот имеются микротру-

бочки, которые поддерживают архитектуру

клетки, а также участвуют в сократительной

активности. Микротрубочки представляют

собой полые фибриллы диаметром 240 А;

они построены из тубулина. Реснички и жгу-

тики клеток эукариот содержат девять

двойных микротрубочек, окружающих две