Знание - сила, 2003 № 09 (915)

Как, однако, происходит само сокращение каждого мышечного сегмента? Все начинается с прихода нервного сигнала. Затем головка миозина соединяется с актином, отросток молекулы, на котором сидит эти головка, в свою очередь изгибается и заставляет головку слегка подтянуть актиновое волокно на себя. В этот момент головка высвобождается, отросток распрямляется, головка прыгает чуть дальше и ухватывает волокно актина в следующем месте, заставляя его еще немного сократиться. То же самое происходит одновременно со всеми волокнами актина, окружающими данную группу миоэиновых молекул. Все они сокращаются и в то же время сближаются друг с другом.

В результате мышечное волокно в целом становится короче и толще, а все его актиновые молекулы разом тянут коллагеновый тяж, к которому прикреплены их вторые концы (первые прикреплены к костям скелета), и приводят его в механическое движение, которое затем передается соответствующему органу или конечности. (Это упрощенная картина — в действительности, клетки скелетных мышц так сильны, потому что соединены в так называемые суперклетки, а, к примеру, сокращения сердечной мышцы контролируются маленькой, с монету величиной, ipynnoft нервных клеток — «пэйсмэйкером», расположенным у вершины сердца; но работа всех этих мышц без исключения в конечном счете сводится к крохотным миозиновым молекулярным моторам.)

Процесс сокращения мышц начинается с прихода нервного сигнала, передающегося ионами кальция, а потому без кальция происходить не может вообще, и этим фактом объясняются многие знакомые нам явления. Скажем, ял кураре, которым пользуются первобытные охотники Амазонки, парализует жертву как раз благодаря тому, что молекулы этого яда, попав в кровь, проникают к рецепторам ацетилхолина и усаживаются на них, так что когда к этим рецепторам приходит сам ацетилхолин, свободных мест для него уже нет, и процесс передачи сигнала на мышечное сокращение прерывается. Аналогично работает белок ботулин, вызывающий одно из опаснейших пищевых отравлений, ботулизм.

А вот вирус полиомиелита попросту разрушает те нервные волокна, по которым с помощью кальция подаются сигналы на мышечное сокращение, и мышцы, оставшись без употребления, постепенно высыхают. С другой стороны, этот же «кальциевый привод» можно использовать в благодетельных целях. Так, сердечные больные нуждаются в понижении ритма биений сердца, в противном случае оно при нагрузках будет требовать больше кислорода, чем способны дать сузившиеся из-за атеросклероза сосуды. Этим людям помогают «бета-блокаторы» —препараты, которые несколько блокируют кальциевые каналы, тем самым понижая уровень кальция и, соответственно, уменьшая размах сокращений сердечной мышцы.

Рассказ о миозиновом моторе можно было бы продолжать еще и еще, но, как мы уже говорили, список молекулярных моторов клетки не исчерпывается миозином. Более того — миозин, скорее, весьма специфический мотор, работающий исключительно в мышечных клетках.

А вот все перемещения внутри обычных клеток осуществляют другие моторы, и в отличие от миозина их изучение началось лишь два десятилетия назад, в 1985 году, когда Том Рииз и Майкл Шитц открыли первый из них — кинезин (от греческого kinesis, что значит «движение»). И здесь тоже был обнаружен тот удивительный механизм движения, который уже знаком нам по миозину: получение молекулой мотора химической энергии от АТФ приводит к изменению формы этой молекулы, и это изменение формы делает возможным движение молекулы. Молекула кинезина по своей форме напоминает молекулу миозина — те же две округлые головки на длинной ножке. Двумя головками молекула хватается за поверхность микротрубки, а к торчащей вверх ножке крепится пузырек с химическими веществами. Под воздействием АТФ происходит следующее: молекула изгибается, так что ее передняя головка уходит чуть дальше от задней и в результате хватается за микротрубку чуть дальше по ходу движения; затем задняя головка вновь подтягивается к передней. Затем этот «силовой толчок» повторяется. В итоге пузырек, сидящий на ножке молекулы, рывками движется по микротрубке. Картина напоминает ползущую (или, если угодно, «шагающую») по ветке гусеницу. Скорость такого ползания, как уже говорилось, невелика — по измерениям Рииза и Шитца, около 35 сантиметров в сутки. Измерена также сила, развиваемая одной молекулой, — она составляет 5-7 пиконьютонов, чего достаточно, чтобы за полсекунды поднять груз, равный примерно двум тысячным веса рисового зернышка, на высоту двух сантиметров.

Так взаимодействуют при сокращении мышц молекулы актина и миозина. Головка миозина изгибается сцепляется с новым сегментом антик сдвигает его на новое место и вновь изгибается, чтобы продолжать этот процесс снова и снова

Самое удивительное в этой удивительной картине движения «молекулярной гусеницы» состоит в том, что кинезин способен переносить пузырьки с необходимыми клетке химическими веществами только в одном направлении — от центра клетки к ее периферии. Почему так — неизвестно, но дело выглядит так. будто микротрубки имеют какие-то поверхностные особенности, что-то вроде зубчиков пилы, мешающих молекулам кинезина ползти в обратном направлении. Именно молекулам кинезина, потому что молекулы другого из двух главных клеточных молекулярных моторов — динеина — преспокойно движутся по этим микротрубкам в обратном направлении, от периферии к центру Но зато — вы уже, конечно, догадались? — они не могут двигаться от центра к периферии. Эта странность была обнаружена в те же 1980-е годы Ричардом Вэлли. Именно он назвал найденный им белок, молекулы которого везут пузырьки в сторону клеточного ядра, динеином (от греческого dinamis, что означает «сила»).

Последующее изучение показало, что микротрубки действительно имеют встроенную в их блочную конструкцию одностороннюю «направленность» — у них есть «голова» и «хвост», и молекулы кинезина устроены так, что могут двигаться только от «головы» к «хвосту», а молекулы динеина — наоборот. Что остается пока совсем непонятным, это — как пузырьки узнают, на какой поезд им садиться?

Между тем список молекулярных моторов не исчерпывается, как оказалось, и кинезином с динеином. Уже в 1990 году тот же Вэлли открыл еще один тип молекулярного мотора, получивший название «динамина», а к 1995 году было известно уже около десяти различных моторов, каждый из которых переносил свой специфический химический груз для определенных. специфических целей. Сегодня считается, что в клетках действует не меньше полусотни переносящих или передвигающих груз молекул, а если учесть необходимость перемещения многочисленных белков- ферментов по длине генетических молекул ДНК, — то, быть может, и вся сотня. Но все они работают, как уже сказано, по одному и тому же фундаментальному принципу — преобразование химической энергии в энергию изменения формы гибкой молекулы, которая за счет этого изменения оказывается способной хватать и перехватывать («руками» своих химических связей) некое гибкое длинное внутриклеточное волокно и в результате ползти по нему вместе с грузом. Видимо, природа «изобрела» этот принцип давным-давно, еще на заре жизни, во времена одноклеточных организмов и постепенно расширила сферу его применения на все виды внутриклеточных движений.