Рабочий цикл актомиозинового комплекса

В процессе сокращения мышцы каждая головка миозина совершает многократные повороты, периодически изменяя угол своего наклона относительно нити актина. В расслабленной мышце миозиновый мостик отделен от актиновой цепи (рис. 4, состояния 1 и 2). Свободная головка миозина обладает определенной степенью подвижности; за счет шарниров, расположенных в местах соединения фрагментов S1 и S2, угол ее наклона относительно хвоста может изменяться. При связывании молекулы АТР с активным центром миозина его головка остается отсоединенной от актина (рис. 4, состояние 1). В каталитическом центре миозина молекула АТР расщепляется на ADP и Pi (рис. 4, переход " состояние 1" à " состояние 2" ). Образующиеся при этом молекулы ADP и Pi остаются прочно связанными с каталитическим центром. Однако вслед за гидролизом молекулы АТР происходит присоединение головки миозина к актиновой нити: сначала образуется слабая связь (состояние 3), затем возникает более прочная связь (состояние 4). При этом вращательная подвижность миозинового мостика становится ограниченной. Прочное связывание головки миозина с актином инициирует освобождение фосфата Рi из активного центра (переход " состояние 4 " à " состояние 5 " ). Изменения, происходящие в каталитическом центре после диссоциации Рi, вызывают дополнительное увеличение сродства миозина к актину. В результате этого появляется сила, вызывающая поворот мостика в сторону хвоста (переход " состояние 5 " à " состояние 6 " ). Вместе с поворотом мостика смещается вдоль нити актина хвост миозина, который соединен с мостиком с помощью " шарнирного" сочленения. Благодаря продольному смещению хвоста миозина происходит сокращение длины саркомера. После смещения головки миозина, инициированного диссоциацией фосфата, молекула ADP диссоциирует из каталитического центра, а ее место занимает новая молекула АТР (переход " состояние 7 " à " состояние 1 " ). Это превращение сопровождается отсоединением головки миозина от актина, завершающим цикл структурных преобразований, происходящих в активном центре миозина. В результате многократно повторяющихся циклов гидролиза АТР возникает направленное скольжение нитей миозина и актина друг относительно друга.

 

Кооперативная и " индивидуальная трудовая деятельность" миозина

В мышечных волокнах молекулы миозина работают не индивидуально, а кооперативно, в составе крупных макромолекулярных ансамблей. Как мы уже отмечали, в миофибриллах молекулы миозина собраны в жгуты, из которых выступает множество миозиновых мостиков в сторону нитей актина (см. рис. 1). Установлено, что во время сокращения мышцы лишь сравнительно небольшая часть мостиков (10-15%) одновременно находится в контакте с окружающими их нитями актина. Это значит, что каждый из мостиков большую часть времени проводит в свободном состоянии, когда он непосредственно не создает тянущей силы. При этом молекулы миозина, у которых мостики отсоединены от актиновых нитей, во время сокращения саркомера перемещаются вместе с остальными молекулами миозинового жгута. Такое движение свободных (несвязанных) мостиков происходит за счет работы других мостиков, которые в это время непосредственно взаимодействуют с нитями актина. Это значит, что каждый мостик не просто шагает вдоль нити, равномерно ступая между соседними звеньями актиновой цепи, а как бы прыгает вдоль нее. Длина таких прыжков составляет 36-38 нм (рис. 5, а), что многократно превышает размер индивидуального шага (Ds ~ 4 нм). Таким образом, сокращение мышечных волокон обеспечивается за счет кооперативной работы большого количества молекул миозина, собранных в толстые нити.

Рис. 5. Схема перемещения молекулы миозина вдоль нити актина.

 

Движение пучка молекул миозина вдоль нити актина можно сравнить с перетаскиванием бревна большой группой работников, из которых лишь небольшая часть тружеников (10-15%) опирается ногами на землю, в то время как остальные работники в это время висят на бревне, не касаясь земли. Подобно мостикам миозина, работники периодически меняются ролями, однако в каждый момент времени активно работает лишь небольшая часть тружеников, несущих бревно вместе с висящими на нем товарищами (рис. 5, б)

Кооперативный способ работы молекул миозина, характерный для скелетных мышц, встречается также в некоторых других сократительных системах. Известна, однако, большая группа моторных белков, которые работают индивидуально; цикл их механохимических превращений протекает в равномерном режиме, а перемещение происходит отдельными шагами, без длинных прыжков, характерных для миозина скелетных мышц. К таким молекулярным моторам относятся некоторые классы внемышечных миозинов, работающих в клетках животных и растений в качестве перевозчиков мембранных частиц. Простейшие молекулы миозина, выполняющие работу индивидуальных переносчиков (например, миозин класса I), имеют глобулярную головку и короткий хвост. Двигаясь вдоль нити актина цитоскелета, молекула-переносчик может тащить за собой органеллу, к которой она прикрепляется своим хвостом. Таким способом молекулы миозина обеспечивают работу транспортной системы, предназначенной для переноса различных частиц и органелл в клетке.

Движение органелл легко наблюдать в некоторых крупных клетках, таких, как гигантские клетки зеленой водоросли Nitella. Интересна структурная организация транспортной системы, обеспечивающей циркуляцию цитоплазмы в клетках зеленых водорослей. На периферии клетки, рядом с плазматической мембраной, находится слой хлоропластов. Хлоропласты примыкают к так называемому кортикальному слою, который содержит пучки актиновых нитей. Между неподвижными кортикальным слоем и мембраной вакуоли расположен слой движущейся цитоплазмы, в котором находятся ядра, митохондрии и другие органеллы. Молекулы миозина совершают круговое движения внутри клетки, равномерно перемещаясь вдоль нитей актина и увлекая за собой сравнительно крупные органеллы (митохондрии, эндоплазматический ретикулум, ядра и др.). Скорость перемещения органелл составляет 50-75 мкм/с. Благодаря такому движению в гигантской клетке водоросли возникает циркуляция цитоплазмы, за счет которой ее содержимое перемешивается гораздо быстрее, чем это происходило бы путем простой диффузии. Гигантские клетки зеленых водорослей достигают длины 2-5 см, поэтому без принудительной циркуляции цитоплазмы молекулам белков потребовалось бы около 10 дней для диффузии с одного конца клетки на другой.

Глава 4. Физика ферментов.

4.1. Общая характеристика действия ферментов (определения)

1. Фермент (Е) — это белок, увеличивающий скорость биохимических реакций, т.е. работающий как катализатор (увеличивает скорость до 10¹⁰ раз).

2. Субстрат (S ) —это молекула, которая после взаимодействия с ферментом Е превращается в продукт Р.

3. Активный центр фермента— это особый участок молекулы белка, с которым связывается субстрат S с образованием ФСК Е-S (почти всегда он построен из нескольких пространственно-сблизившихся АК-остатков, т.к. в линейной последовательности они могут быть расположены далеко друг от друга). Формирование E-S комплекса осуществляется слабыми взаимодействиями (Н-связями, солевыми мостиками, гидрофобными взаимодействиями), но иногда и ковалентными связями (сериновые протеазы образуют промежуточный продукт с помощью ковалентной связи).

4. Специфичность фермента — это его способность отличить свой собственный (истинный) субстрат от других родственных молекул. Избирательность обусловлена высокой специфичностью фермент-субстратных взаимодействий. Ранняя модель этого взаимодействия " замок (Е) - ключ (S)", аналог которой был предложен Фишером 100 лет назад: " к ферменту (замку) подходит только свой субстрат (ключ)", была дополнена моделью " индуцированного соответствия" Кошландом в 1959 году. Согласно этой общепризнанной гипотезе, связывание ферментом правильного субстрата индуцирует в белке небольшие конформационные изменения. В результате этих изменений каталитические группы фермента ориентируются таким образом, что становится возможным превращение субстрата в продукт (рис.1). Дальнейшее развитие модели индуцированного соответствия связано с учётом того, что конформация субстрата при связывании с ферментом также может слегка изменяться (Рис.2).

Рис.1. Модель фермент-субстратного взаимодействия “замок (Е)-ключ (S)”.

 

Рис.2. Индуцированное соответствие и напряжение в молекуле субстрата.

 

В этом случае говорят о напряжении в молекуле субстрата. Гипотеза о существовании конформационных изменений в ферменте и субстрате при их связывании друг с другом объяснила тот факт, что молекулы, очень похожие по форме на истинный субстрат, могут связываться с ферментом, но не превращаться в продукт, т.е. действуют как ингибиторы. Таким образом, правильный субстрат—это больше, чем просто “ключ” к соответствующему “замку”.

Специфичность узнавания у разных ферментов варьирует — некоторые ферменты могут катализировать реакцию с участием только одного субстрата, тогда как другие — с несколькими химически родственными веществами (формамидаза гидролизует только формамид, а амидаза гидролизует любой алифатический амид).

Рис.3. Структура ферментативных реакций.

 

5. Положение равновесия реакции не зависит от присутствия или отсутствия фермента в реакционной смеси. Свободная энергия реакции dG⁰ равна разности свободных энергий S и P и определяет положение равновесия реакции. В присутствии любого катализатора, в том числе и фермента, свободная энергия исходных реагентов (S) и продуктов реакции (P) не изменяется и, следовательно, не изменяется dG⁰ (Рис.4).

6. Переходное состояние, или активированный комплекс (обозначается Х) — это высокоэнергетическая промежуточная структура, которая образуется во время реакции. Разность свободных энергий реагентов (S) и переходного состояния называется свободной энергией активации и обозначается dG^А. Скорость реакции зависит от величины dG^А: чем она меньше, тем больше скорость реакции (Рис.4).

7. Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами:

7.1. понижая свободную энергию переходного состояния путём стабилизации активированного комплекса;

7.2. увеличивая энергию субстрата (S), когда тот связывается с ферментом (E) при образовании ФСК (E-S). В итоге уменьшается разность свободных энергий E-S комплекса и переходного состояния;

7.3. поддерживая микроокружение активного центра (АЦ) в состоянии, отличном от такового в водной среде;

7.4. располагая реагирующие атомы в правильной ориентации, на необходимом расстоянии друг от друга так, чтобы обеспечить оптимальное протекание реакции.

 

Рис.4. Изменение свободной энергии реакции с катализатором и без него.

 

8. Ингибиторами называются молекулы, которые, связываясь с ферментом, блокируют какую-то стадию ферментативной реакции. Ингибиторы бывают обратимыми и необратимыми. Обратимое ингибирование подразделяют на конкурентное, неконкурентное и бесконкурентное.

8.1. Конкурентный ингибитор — это молекула, похожая на субстрат S настолько, что фермент E не может их различить. В результате конкурентного ингибирования падает концентрация ФСК и, следовательно, скорость реакции. Ингибитор обычно в продукт не превращается.

8.2 Неконкурентный ингибитор — это молекула, связывающаяся не с АЦ, а с каким-то другим участком фермента. Поскольку связывание с неконкурентным ингибитором не мешает ферменту образовывать ФСК, то этот ингибитор не понижает концентрацию таких комплексов, а влияет на эффективность превращения S в P.

8.3. Бесконкурентный ингибитор — это молекула, которая связывается только с ФСК и не может связываться со свободным ферментом. В односубстратных ферментных системах этот тип ингибирования редок.

8.4. Необратимый ингибитор непрерывно модифицирует молекулы фермента, в результате чего они частично или полностью теряют свою активность.

9. Регуляция активности фермента может осуществляться с помощью активного зимогена (профермента), ковалентной модификации, ингибирования по принципу отрицательной обратной связи, за счёт кооперативных или аллостерических эффектов.

9.1. Зимоген — это неактивный предшественник фермента. Чтобы зимоген превратился в активный фермент, какая-то часть его полипептидной цепи должна быть отщеплена. Например, в семействе сериновых протеаз химотрипсиноген и трипсиноген являются зимогенами химотрипсина и трипсина соответственно.

9.2. Ковалентной модификацией называется ковалентное присоединение или отщепление от фермента небольшой химической группы, регулирующее его активность. С помощью модификации либо полностью неактивная форма фермента становится активной, либо, наоборот, полностью активный фермент инактивируется. Например, гликоген-синтетаза, превращающая глюкозу в гликоген, инактивируется после ковалентного присоединения фосфатной группы к боковой цепи одного из сериновых остатков и снова активируется при отщеплении фосфата.

9.3. Ингибирование по принципу отрицательной обратной связи характерно для ферментных систем, в которых субстрат претерпевает несколько последовательных превращений, причём каждая реакция катализируется своим ферментом.

 

Ингибирование имеет место, если конечный продукт Т блокирует одну из ранних стадий в цепи реакций. А для этого продукт Т должен быть либо структурно похожим на S (т.е. действовать как конкурентный ингибитор), либо связываться с какой-либо другой частью фермента, регулируя т.о. его активность (т.е. выступая в роли неконкурентного ингибитора).

9.4. Кооперативные эффекты характерны для мультимерных белков, в том числе и для ферментов. Если имеет место кооперативный эффект, то кинетические свойства фермента уже не описываются уравнением Михаэлиса-Ментен: график зависимости v от [S] в этом случае представляет собой S-образную кривую, а не гиперболу, а график Лайнунвера-Берка перестаёт быть прямой. При этом небольшое увеличение концентрации [S] будет приводить к значительному возрастанию скорости реакции. Для объяснения этого эффекта были предложены модель МУШ (Моно, Уаймена и Шанжё), или симметричная модель, и последовательная модель (Кошланда, Нимети и Филмера).

В симметричной модели предполагается, что каждый мультимерный ферментный комплекс может существовать в двух разных состояниях с различной четвертичной структурой, причём в каждом состоянии все субъединицы имеют одинаковую третичную структуру. В простейшем случае (рис. 3) рассматриваются два состояния, находящиеся в равновесии друг с другом. В одном из них белок имеет высокое сродство к субстрату (R-состояние), в другом — низкое (T-состояние). Добавленный субстрат будет предпочтительно связываться с R-конформерами фермента, а связывание его с Т-конформером приведёт к возникновению напряжения в субъединицах фермента, что вызовет одновременный переход всех субъединиц (мономеров) в R-состояние, в котором напряжение отсутствует. При этом согласованном переходе сохраняется молекулярная симметрия каждой мультимерной молекулы. При дальнейшем добавлении субстрата всё большее количество молекул будет переходить из Т в R-состояние. Такой сдвиг равновесия в присутствии субстрата представляет собой эффект положительной кооперативности. В результате этого эффекта график зависимости v от [S] будет иметь S-образную форму.

В последовательной модели предполагается, что отдельные субъединицы мультимерной молекулы в одно и то же время могут иметь разные третичные структуры. Причём, связывание субстрата одной субъединицей может вызывать изменение третичной структуры соседней субъединицы и в результате увеличивать (положительная кооперативность) или уменьшать (отрицательная кооперативность) их сродство к субстрату.

9.5. Аллостерическая регуляция представляет собой эффект, когда небольшие молекулы (эффекторы), связываясь с ферментом ВНЕ области АЦФ, изменяют скорость реакции. Подобная регуляция может быть гомотропной, когда молекула S, взаимодействуя с Е, изменяет его сродство к молекулам того же S, и гетеротропной, когда сродство к S изменяется при взаимодействии Е с молекулой, не похожей на молекулу S. Гомотропные и гетеротропные эффекторы могут быть ингибиторами или активаторами. Аллостерический активатор, действующий на фермент, описываемый симметричной моделью, будет связываться предпочтительно с R-конфомером, стабилизируя это состояние. В результате активатор будет увеличивать начальную концентрацию R-конфомеров по сравнению с концентрацией Т-конформеров и, следовательно, увеличивать сродство фермента к своему субстрату (положительная кооперативность).

Аллостерический ингибитор, наоборот, предпочтительно связывает и стабилизирует фермент, находящийся в Т-состоянии, вызывая, таким образом, уменьшение сродства фермента к своему субстрату (отрицательная кооперативность).

В целом, роль аллостерических ферментов заключается в том, чтобы расширить (в случае ингибитора), либо сузить (в случае активатора) интервал концентрации субстрата, в котором фермент способен увеличивать скорость реакции.

10. Большая часть ферментов функционирует в комплексах с низкомолекулярными кофакторами, коферментами. Такой фермент в целом называется холоферментом, его белковая часть — апоферментом. Коферментами являются ионы металлов (например, Mg⁺⁺). Среди алифатических кофакторов есть содержащие серу — это глутатион, линолевая кислота, есть и дифосфаты углеводов (участвуют в реакциях переноса фосфатных групп), витамины (играют каталитическую роль).

Рис.5. Витамин С (аскорбиновая кислота).

Большинство важнейших коферментов — π –электронные сопряжённые системы, содержат ароматические циклы, или гетероциклы (рибофлавины или витамин В₂). Аденин входит в состав кобамидных ферментов, связанных с кобаламином (или В₁₂).

11. Молекулярной активностью (или “числом оборотов”) фермента называют число молей субстрата, превращённых в продукт за одну минуту одним молем фермента при избытке субстрата (S> > E).

 

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: