Актомиозиновое сокращение: как нити двигают саркомер

Актомиозиновое сокращение - это укорочение саркомера за счёт скольжения тонких актиновых нитей вдоль толстых миозиновых при гидролизе ATP и в присутствии ионов $\mathrm{Ca^{2+}}$. Длины самих нитей не меняются - меняется их взаимное перекрытие. На молекулярном уровне это работа миллиардов миозиновых «мостиков», каждый из которых проходит замкнутый четырёхстадийный цикл связывания, поворота и отщепления.

Саркомер и поперечно-полосатая мускулатура

Структурной единицей сокращения скелетной и сердечной мышцы является саркомер - участок миофибриллы от одной Z-линии до другой длиной $\sim 2{,}2\ \mu\mathrm{m}$ в покое. Поперечная исчерченность под микроскопом - это чередование A-дисков (анизотропных, содержащих толстые нити) и I-дисков (изотропных, только тонкие нити). В середине A-диска видна более светлая H-зона, где толстые нити не перекрываются тонкими, и тёмная M-линия - место сшивки толстых нитей. При сокращении укорачиваются I-полоска и H-зона, а ширина A-диска остаётся постоянной - это и есть прямое наблюдение, на котором строится модель скользящих нитей.

Тонкие (актин) и толстые (миозин) нити

Тонкая нить - двойная спираль из глобулярного G-актина, на которой каждые $\sim 38\ \mathrm{nm}$ лежит палочковидный тропомиозин, закрывающий миозин-связывающие сайты на актине. К тропомиозину привязан комплекс тропонина из трёх субъединиц: TnT (привязка к тропомиозину), TnI (ингибиторная, в покое прижимает тропомиозин к блокирующему положению) и TnC (кальций-связывающий).

Толстая нить - пучок из $\sim 300$ молекул миозина II, уложенных «хвост к хвосту» с торчащими наружу головками. Каждая головка содержит ATP-связывающий карман, актин-связывающий участок и шейку с двумя лёгкими цепями, работающую как рычаг при повороте. Именно эта головка и есть тот «мостик», который запускает скольжение.

Модель скользящих нитей Хаксли (1954)

В 1954 году одновременно вышли две независимые работы - Эндрю Хаксли с Ниденджерком и Хью Хаксли с Хансоном, - показавшие, что при сокращении ширина A-диска не меняется, а укорачиваются именно I-полоска и H-зона. Это исключило старую гипотезу «спирального скручивания миозина» и зафиксировало sliding filament model: толстые и тонкие нити сохраняют длину, но взаимно скользят. Перенос силы между ними и обеспечивают миозиновые мостики, циклически прикрепляющиеся к актину и совершающие силовой ход.

Цикл миозинового мостика: четыре стадии

Полный цикл одной головки миозина - это $\sim 50\ \mathrm{ms}$ при максимальной нагрузке и не более $\sim 5\ \mathrm{ms}$ при свободном укорочении. Стандартная схема Лимпина-Тейлора разбивает его на четыре функционально различимые стадии:

1. Связывание ATP и отщепление от актина. К головке, лежащей на актине в состоянии rigor (после предыдущего силового хода), присоединяется молекула ATP. Это вызывает конформационное раскрытие актин-связывающего кармана, и головка отделяется от тонкой нити.
2. Гидролиз ATP с «взводом» рычага. В свободной головке ATP гидролизуется до $\mathrm{ADP}\cdot\mathrm{P_i}$, оба продукта остаются связанными. При этом шейка-рычаг поворачивается на $\sim 70^{\circ}$ в «взведённое» положение - головка приобретает потенциальную энергию, как сжатая пружина.
3. Связывание с новым сайтом актина. Если миозин-связывающий сайт на актине открыт (тропомиозин смещён, см. ниже), взведённая головка слабо привязывается к актину; затем переход в сильное связывание ускоряет выход фосфата.
4. Power stroke с выходом $\mathrm{P_i}$ и затем ADP. Освобождение фосфата запускает обратный поворот рычага - головка совершает силовой ход $\sim 5{-}10\ \mathrm{nm}$ и тянет тонкую нить к центру саркомера. Затем медленно отщепляется ADP, и головка остаётся в rigor-конформации до прихода следующей молекулы ATP.

В энергетике этот цикл удобно записать суммарно:

$$\mathrm{Actin\!-\!Myosin + ATP \to Actin + Myosin\!\cdot\!ADP\!\cdot\!P_i \to Actin\!-\!Myosin\!\cdot\!ADP\!\cdot\!P_i \to Actin\!-\!Myosin + ADP + P_i}$$

КПД преобразования химической энергии в механическую работу - порядка $40\%$, остальное уходит в тепло; именно поэтому мышечная дрожь - эффективный механизм терморегуляции.

Регуляция кальцием: тропонин C и тропомиозин

В состоянии покоя цитозольная концентрация $\mathrm{Ca^{2+}}$ в мышечном волокне $\sim 10^{-7}\ \mathrm{M}$, и тропомиозин блокирует миозин-связывающие сайты на актине: сильное связывание невозможно, цикл стоит на стадии 2.

При возбуждении уровень $\mathrm{Ca^{2+}}$ растёт до $\sim 10^{-5}\ \mathrm{M}$. Кальций связывается с TnC (низкоаффинными N-концевыми сайтами в скелетной мышце), TnC меняет конформацию, тянет TnI, отпуская тропомиозин; тропомиозин смещается на $\sim 25^{\circ}$ вокруг оси актиновой нити и открывает миозин-связывающие сайты. Головки переходят к сильному связыванию, и цикл идёт стадия 3 → стадия 4. Как только $\mathrm{Ca^{2+}}$ откачивается обратно - тропомиозин возвращается, головки больше не могут стабильно связываться, и сокращение прекращается.

Источник $\mathrm{Ca^{2+}}$: SR и рианодиновый рецептор

Резервуаром кальция служит саркоплазматический ретикулум (SR) - модифицированный гладкий ER, окружающий каждую миофибриллу. В скелетной мышце потенциал действия по сарколемме проходит вглубь по T-трубочкам (Т-системе) и достигает триады T-трубочка - две концевые цистерны SR. Здесь сидит дигидропиридиновый рецептор (DHPR, $\mathrm{Ca_v}1.1$), который при деполяризации механически дёргает рианодиновый рецептор RyR1 на SR - кальций выбрасывается в цитозоль через считаные миллисекунды.

В сердечной мышце механизм иной: DHPR ($\mathrm{Ca_v}1.2$) сам впускает небольшой ток $\mathrm{Ca^{2+}}$ из внеклеточной среды, и уже этот кальций запускает RyR2 - «$\mathrm{Ca^{2+}}$-induced $\mathrm{Ca^{2+}}$ release». Расслабление обеспечивает SERCA - Ca-ATPаза SR, закачивающая ион обратно с гидролизом ATP, и обменник $\mathrm{Na^{+}/Ca^{2+}}$ в плазмалемме.

Скелетная, сердечная и гладкая мышцы

Скелетная мышца управляется соматическими мотонейронами, ATP-цикл быстрый, регуляция - через тропониновый комплекс на актине, саркомеры строго упорядочены. Сердечная похожа в части тропонинов и саркомеров (отсюда поперечная исчерченность), но кардиомиоциты соединены вставочными дисками с щелевыми контактами, имеют единый ритмический очаг и более длинный потенциал действия с плато.

Гладкая мышца устроена иначе: ни саркомеров, ни тропонинов. Регуляторный $\mathrm{Ca^{2+}}$ связывается с кальмодулином, активирует киназу лёгких цепей миозина (MLCK), та фосфорилирует регуляторную лёгкую цепь миозина - и только фосфорилированный миозин получает право циклить с актином. Отсюда - медленное, длительное и экономичное по ATP сокращение, удобное для стенок сосудов и полых органов.

Патологии при нарушении актомиозинового цикла

Гипертрофическая и дилатационная кардиомиопатии часто связаны с мутациями в гене $\beta$-миозина тяжёлой цепи (MYH7), миозин-связывающего белка C (MYBPC3), тропонина T (TNNT2) и I (TNNI3) - нарушается либо сила силового хода, либо чувствительность к $\mathrm{Ca^{2+}}$. Мутации RyR1 вызывают злокачественную гипертермию: неконтролируемый выброс кальция при ингаляционных анестетиках.

Trinucleotide-расширения в DMPK (миотоническая дистрофия) ломают расслабление через нарушенный сплайсинг каналов. Малярийный плазмодий, наоборот, использует свой собственный актомиозиновый «глайдинг»-мотор для инвазии в эритроциты - миозин класса XIV, актин-1 паразита и тонкая система регуляции через AMA1 - это активная цель противомалярийных разработок.

Прикладные сюжеты: ригор и фармакология

Ригор смерти (rigor mortis) - прямое следствие модели: после смерти прекращается синтез ATP, головки миозина застревают в стадии 4 без возможности отщепиться от актина, и мышцы каменеют на $\sim 12{-}24$ часа, пока протеолиз не разрушит белки. Кофеин и галогеновые анестетики действуют на RyR; уабаин - через $\mathrm{Na^{+}/K^{+}}$-ATPазу и далее на $\mathrm{Na^{+}/Ca^{2+}}$-обменник, повышая сократимость сердца. Миотропный класс препаратов («миокардиальные миотропы», напр. омекамтив мекарбил) прямо удлиняет сильное связывание миозина с актином - терапия сердечной недостаточности.

Частые ошибки

• «Нити укорачиваются». Нет: длины актиновых и миозиновых нитей постоянны, меняется лишь степень их перекрытия - укорачивается саркомер.
• «ATP нужен только для сокращения». На отщепление миозина от актина - да, но и расслабление требует ATP для работы SERCA: без него мышца застревает в rigor.
• «Кальций сам двигает мостики». Кальций только снимает тормоз с тропомиозина; силу создаёт поворот рычага миозиновой шейки.
• «В гладкой мышце работают тропонины». Тропонинов в гладкой мышце нет, регуляция идёт через фосфорилирование лёгкой цепи миозина и MLCK.
• «Power stroke - это связывание ATP». Наоборот: связывание ATP открепляет головку; силовой ход совершается при выходе фосфата после уже произошедшего гидролиза.

FAQ

Сколько молекул ATP тратится на один цикл одного мостика? Одна молекула ATP на одну головку миозина за один полный цикл. При максимальной частоте $\sim 5$ циклов в секунду на головку и $\sim 300$ головках на толстую нить расход на мышцу огромен - отсюда роль креатинфосфата и митохондриального ресинтеза ATP.

Почему мышца расслабляется не мгновенно после сигнала? SERCA должна успеть откачать $\mathrm{Ca^{2+}}$ обратно в SR, тропомиозин - вернуться в блокирующее положение, головки - дойти до стадии 1 и отцепиться от актина. Это десятки миллисекунд; именно поэтому при высокой частоте раздражения возникает тетанус - кальций не успевает уйти, и сокращения сливаются.

Чем модель скользящих нитей отличается от cross-bridge theory? Sliding filament model - это морфологический факт скольжения нитей без изменения их длины. Cross-bridge theory - её молекулярное объяснение через циклически работающие мостики миозина. Первая - наблюдение, вторая - механизм.

Коротко

Актомиозиновое сокращение - это циклическая работа миозиновых мостиков, тянущих тонкие актиновые нити к центру саркомера за счёт энергии гидролиза ATP. Цикл из четырёх стадий - связывание ATP, гидролиз с взводом рычага, связывание с актином, силовой ход при выходе фосфата - управляется кальцием через тропонин C и тропомиозин, а кальций поставляет саркоплазматический ретикулум по сигналу с T-системы. Эта схема объясняет и скелетное, и сердечное сокращение; гладкая мышца использует тот же мотор, но с другой регуляцией через MLCK, а ригор смерти - прямое следствие отсутствия ATP для разъединения миозина и актина.