Образование поперечных мостиков

В состоянии физиологического покоя концентрация внутриклеточного Ca²⁺, фосфорилирование легких цепей миозина, АТФ-азная активность миозина и уровень образования поперечных мостиков весьма малы. В покое только очень небольшое количество поперечных мостиков может связывать сократительные белки, обеспечивая слабое тоническое сокращение. АТФ-азная активность миозина в покое низка, но не равна нулю. При активации клетки увеличивается внутриклеточная концентрация ионов Ca²⁺, что инициирует цикл образования поперечных мостиков, который включает в себя 5 стадий.

Исходное состояние: головка миозина связана с нитью актина после того, как в ходе предыдущего цикла был освобожден аденозин монофосфат. В отсутствие АТФ система может оставаться в таком устойчивом, «ригидном» состоянии в течение достаточно длительного периода времени. В этом ригидном состоянии головка миозина образует угол в 45⁰ по отношению к актиновым и миозиновым миофиламентам.

1 этап. АТФ связывается с головкой тяжелой цепи миозина, в результате чего уменьшается сродство миозина к актину и головка миозина освобождается. Если все поперечные мостики мышцы находятся в данной стадии, то мышца полностью расслаблена.

2 этап. Распад АТФ до АДФ и неорганического фосфата происходит на головке миозина и продукты гидролиза удерживаются на миозине. В результате гидролиза головка миозина поворачивается вокруг шарнирного участка, занимая приподнятое положение (под углом в 90⁰) по отношению к нитям актина и миозина. Этот поворот вызывает сдвиг головки миозиновой нити приблизительно на 11нм вдоль нити актина таким образом, что в данный момент головка миозина располагается напротив нового миозин-связывающего участка актиновой нити.

3 этап. В следующий момент времени приподнятая головка миозина связывается с нитью актина. Это связывание отражает повышенную степень сродства комплекса миозин-АДФ-неорганический фосфат к актину. Образование комплекса с актином вызывают структурные изменения в головке миозина, в результате которых из активного центра освобождается неорганический фосфат, образованный при гидролизе АТФ.

4 этап. Диссоциация неорганического фосфата от головки миозина приводит к гребковому движению. Это конформационное изменение, при котором головка миозина сгибается в области шарнирного участка приблизительно на 45⁰ и сдвигает нить актина на 11 нм по направлению к хвосту молекулы миозина. В результате нить актина движется вдоль нити миозина.

5 этап. Завершается цикл диссоциацией АДФ от миозинового филамента и акто-миозиновый комплекс остается в исходном, ригидном состоянии. Головка миозина остается в том же положении, т.е. под углом в 45⁰ по отношению к нити актина и миозина. Свободный от АДФ, миозин представляет из себя связанный с актином комплекс до тех пор, пока он не свяжется с другой АТФ, что приведет к образованию нового комплекса [1, 3, 73, 74, 97, 218, 221, 264, 293].

Исходное состояние акто-миозинового комплекса быстро связывает АТФ в концентрации, которая обычно наблюдается в клетке. И если не остановить, цикл образования поперечных мостиков будет продолжаться, пока не возникнет истощения АТФ в цитоплазме [105, 342, 378].

Гладкомышечные клетки могут контролировать цикл образования поперечных мостиков на втором этапе, предотвращая гидролиз АТФ в момент повышения АТФ-азной активности головки миозина [97, 126, 140, 143]. В скелетной и сердечной мышце цикл образования поперечных мостиков контролируется на третьем этапе, путем предотвращения образования поперечных мостиков в момент смещения тропомиозина при повышении внутриклеточной концентрации ионов Са⁺⁺. Схема образования поперечных мостиков является общей для скелетной, сердечной и гладкой мышцы, однако частота циклов в гладкой мышце составляет менее одной десятой от частоты циклов, наблюдаемых в скелетной мышце. Это обусловлено различиями в свойствах изоформ миозина, встречающихся в гладких мышцах. Наряду с меньшей частотой образования циклов поперечных мостиков, гладкая мышца развивает силу равную или несколько большую, чем скелетная. Возможно, это происходит благодаря тому, что поперечные мостики остаются интактными в каждом цикле более длительное время. Вероятнее всего, длительный период, в течение которого поперечные мостики остаются интактными, связан с низкой скоростью освобождения АДФ от изоформы миозина, характерной для данной гладкой мышцы [18, 140, 248, 286, 309].

Гладкомышечная клетка сокращается гораздо медленнее, чем поперечно-полосатая. Это связано с тем, что в гладкой мышце имеется особая изоформа АТФазы миозина, для которой характерна довольно низкая максимальная активность (приблизительно в 10-100 раз ниже, чем активность АТФазы миозина скелетной мышцы). Видимо, это также является причиной малой утомляемости гладкой мышцы при продолжительной работе [74, 244].

Для того, чтобы остановился циклический процесс образования мостиков между актином и миозином, необходимо удалить фосфатный остаток с регуляторной легкой цепи миозина. Это происходит с участием другого фермента – фосфатазы легких цепей миозина. После активации фосфатазы легких цепей миозина с регуляторной легкой цепи миозина удаляются остатки фосфата. Дефосфорилированный миозин не способен осуществлять взаимодействие с нитями актина и наступает процесс расслабления [309]. В основном образование поперечных мостиков регулируется фосфорилированием регуляторной легкой цепи миозина. Однако в последнее время обнаружено существование дополнительного регуляторного механизма с участием ряда белков: тропомиозина, кальдесмона, кальпонина и SM22 [218].Два протеина – кальдесмон и кальпонин – ингибируют взаимодействие между актином и миозином. Оба являются Са²⁺-кальмодулин связывающими белками и оба связаны с актином и с тропомиозином. Кальпонин, связанный с тропомиозином и с актином, ингибирует АТФ-азную активность миозина [49, 229, 242, 365, 366, 367, 368]. Активация комплекса Са²⁺-кальмодулин, кроме активации киназы легких цепей миозина, оказывает на кальпонин двойное действие: 1) может связывать кальпонин; 2) активировать Са²⁺-кальмодулин зависимую протеинкиназу, которая фосфорилирует кальпонин. Оба эффекта комплекса Са²⁺-кальмодулин в конечном итоге уменьшают ингибирование кальпонином АТФ-азной активности миозина. Аналогично кальпонину, кальдесмон ингибирует АТФ-азную активность миозина в гладкой мышце [12, 38, 55, 195, 199, 322, 346]. Интересно отметить, что кальдесмон подавляет сократимость миометрия в период беременности и внутриклеточный уровень кальдесмона в этот период в миометрии довольно высокий, в то время как во время родов его уровень значительно падает. Это может иметь большое практическое значение для предотвращения преждевременных родов [267, 373].Следствием понижения концентрации ионов Са²⁺ в цитоплазме является диссоциация ионов Са²⁺ из катионсвязывающих центров кальмодулина. В дальнейшем кальмодулин диссоциирует от киназы легких цепей миозина, которая сразу же становится неактивной под влиянием своего же собственного ингибиторного участка [218].