Биологическая химия - часть 161

Рис. 20.3. Строение молекулы миозина. Объяснение в тексте.

Миозин составляет 50–55% от сухой массы миофибрилл. Представ-

ление о миозине как о главном белке миофибрилл сложилось в результате

работ А.Я. Данилевского, О. Фюрта, Э. Вебера и ряда других исследо-

вателей. Однако всеобщее внимание к миозину было привлечено лишь

после опубликования работ В.А. Энгельгардта и М.Н. Любимовой (1939–

1942). В этих работах впервые было показано, что миозин обладает

АТФазной активностью, т.е. способностью катализировать расщепление

АТФ на АДФ и Н

3

РО

4

. Химическая энергия АТФ, освобождающаяся в ходе

данной ферментативной реакции, превращается в механическую энергию

сокращающейся мышцы. Молекулярная масса миозина скелетных мышц

около 500000 (для миозина кролика 470000). Молекула миозина (рис. 20.3)

имеет сильно вытянутую форму, длину 150 нм. Она может быть расщеплена

без разрыва ковалентных связей на субъединицы: две тяжелые полипеп-

тидные цепи с мол. массой 205000–210000 и несколько коротких легких

цепей, мол. масса которых около 20000. Тяжелые цепи образуют длинную

закрученную α-спираль («хвост» молекулы), конец каждой тяжелой цепи

совместно с легкими цепями создает глобулу («головка» молекулы), спо-

собную соединяться с актином. Эти «головки» выдаются из основного

стержня молекулы. Легкие цепи, находящиеся в «головке» миозиновой

молекулы и принимающие участие в проявлении АТФазной активности

миозина, гетерогенны по своему составу. Количество легких цепей в мо-

лекуле миозина у различных видов животных и в разных типах мышц

неодинаково.

Кратковременная обработка трипсином расщепляет молекулу миозина на два

фрагмента. Из хвостового участка (С-концевой участок молекулы) образуется

легкий меромиозин (ЛММ) - фрагмент длиной 90 нм, а из остальной части,

включающей «головки»,- тяжелый меромиозин (ТММ). ЛММ, подобно миозину,

образует нити, однако он не обладает АТФазной активностью и не связывает актин.

ТММ катализирует гидролиз АТФ и связывает актин. ТММ можно расщепить

далее путем более длительной обработки трипсином или папаином, в результате

чего получается один S

2

-фрагмент длиной 40 нм с мол. массой 62000 и два

S

1

-фрагмента с мол. массой 110000, представляющие собой «головки» миозина.

Толстые нити (толстые миофиламенты) в саркомере надо понимать как

образование, полученное путем соединения большого числа определенным

образом ориентированных в пространстве молекул миозина (рис. 20.4).

Актин, составляющий 20% от сухой массы миофибрилл, был открыт

Ф. Штраубом в 1942 г. Известны две формы актина: глобулярный актин

(G-актин) и фибриллярный актин (F-актин). Молекула G-актина с мол.

массой 42000 состоит из одной полипептидной цепочки (глобула), в обра-

649

2 нм

150 нм

16 нм

Рис. 20.4. Строение толстого миозинового филамента.

зовании которой принимают участие 374 аминокислотных остатка. При

повышении ионной силы до физиологического уровня G-актин полиме-

ризуется в F-актин (фибриллярная форма). На электронных микрофо-

тографиях волокна F-актина выглядят как две нити бус, закрученных одна

вокруг другой (рис. 20.5).

А к т о м и о з и н образуется при соединении миозина с F-актином. Ак-

томиозин, как естественный, так и искусственный, т.е. полученный путем

соединения in vitro высокоочищенных препаратов миозина и F-актина,

обладает АТФазной активностью, которая отличается от таковой миозина,

АТФазная активность миозина значительно возрастает в присутствии

стехиометрических количеств F-актина. Фермент актомиозин активируется

ионами Mg

2+

 и ингибируется этилендиаминтетраацетатом (ЭДТА) и вы-

сокой концентрацией АТФ, тогда как миозиновая АТФаза ингибируется

ионами Mg

2+

, активируется ЭДТА и не ингибируется высокой концентра-

цией АТФ. Оптимальные значения рН для обоих ферментов также раз-

личны.

Как отмечалось, кроме рассмотренных основных белков, в миофибрил-

лах содержатся также тропомиозин, тропонин и некоторые другие ре-

гуляторные белки.

Т р о п о м и о з и н был открыт К. Бейли в 1946 г. Молекула тропомиозина

состоит из двух α-спиралей и имеет вид стержня длиной 40 нм; его мол.

масса 65000. На долю тропомиозина приходится около 4–7% всех белков

миофибрилл.

Тропонин – глобулярный белок, открытый С. Эбаси в 1963 г.; его мол.

масса 80000. В скелетных мышцах взрослых животных и человека тропонин

(Тн) составляет лишь около 2% от всех миофибриллярных белков. В его

состав входят три субъединицы (Тн-I, Тн-С, Тн-Т). Тн-I (ингибирующий)

может ингибировать АТФазную активность, ТН-С (кальцийсвязывающий)

обладает значительным сродством к ионам кальция, Тн-Т (тропомиозин-

связывающий) обеспечивает связь с тропомиозином. Тропонин, соединяясь

с тропомиозином, образует комплекс, названный нативным тропомиози-

ном. Этот комплекс прикрепляется к актиновым филаментам и придает

актомиозину скелетных мышц позвоночных чувствительность к ионам

Са

2 +

 (рис. 20.6).

Установлено, что тропонин (его субъединицы Тн-Т и Тн-I) способен

фосфорилироваться при участии цАМФ-зависимых протеинкиназ. Вопрос

о том, имеет ли отношение фосфорилирование тропонина in vitro к ре-

гуляции мышечного сокращения, остается пока открытым.

Б е л к и  с т р о м ы в поперечно-полосатой мускулатуре представлены

в основном коллагеном и эластином. Известно, что строма скелетных

мышц, остающаяся после исчерпывающей экстракции мышечной кашицы

солевыми растворами с высокой ионной силой, состоит в значительной

мере из соединительнотканных элементов стенок сосудов и нервов, а также

сарколеммы и некоторых других структур.

650

Рис. 20.5. Схематическое изображение F-актина.

Рис. 20.6. Структура тонкого филамента.

1 - актин; 2 - тропомиозин; 3 - тропонин С; 4 - тропонин I; 5 - тропонин Т.

Небелковые азотистые экстрактивные вещества

В скелетных мышцах содержится ряд важных азотистых экстрактивных

веществ: адениновые нуклеотиды (АТФ, АДФ и АМФ), нуклеотиды неаде-

нинового ряда, креатинфосфат, креатин, креатинин, карнозин, ансерин,

свободные аминокислоты и др. Концентрация адениновых нуклеотидов

в скелетной мускулатуре кролика (в микромолях на 1 г сырой массы ткани)

составляет: АТФ – 4,43, АДФ – 0,81, АМФ – 0,93. Количество нуклеотидов

неаденинового ряда (ГТФ, УТФ, ЦТФ и др.) в мышечной ткани по

сравнению с концентрацией адениновых нуклеотидов очень мало.

На долю  к р е а т и н а и  к р е а т и н ф о с ф а т а приходится до 60% небелко-

вого азота мышц. Креатинфосфат и креатин относятся к тем азотистым

экстрактивным веществам мышц, которые участвуют в химических про-

цессах, связанных с мышечным сокращением.

Напомним, что синтез креатина в основном происходит в печени. Из

печени с током крови он поступает в мышечную ткань, где, фосфори-

лируясь, превращается в креатинфосфат. В синтезе креатина участвуют три

аминокислоты: аргинин, глицин и метионин (см. главу 1).

К азотистым веществам мышечной ткани принадлежат имидазолсо-

держащие дипептиды карнозин и ансерин. Карнозин был открыт В.С. Гу-

левичем в 1900 г.; метилированное производное карнозина ансерин был

обнаружен в мышечной ткани несколько позже.

К а р н о з и н и  а н с е р и н – специфические азотистые вещества скелетной

мускулатуры позвоночных. Они увеличивают амплитуду мышечного сокра-

щения, предварительно сниженную утомлением. Работами акад. С.Е. Се-

верина показано, что имидазолсодержащие дипептиды не влияют непосред-

ственно на сократительный аппарат, но увеличивают эффективность ра-

боты ионных насосов мышечной клетки.

651

F-актин

Карнозин (β-аланил-L-гистидин)

Ансерин (N-метилкарнозин)

6-7 нм

38,5 нм

5,5 нм

Среди свободных аминокислот в мышцах наиболее высока концентра-

ция  г л у т а м и н о в о й  к и с л о т ы (до 1,2 г/кг) и ее амида  г л у т а м и н а

(0,8–1,0 г/кг). В состав различных клеточных мембран мышечной ткани

входит ряд фосфоглицеридов: фосфатидилхолин, фосфатидилэтанол-

амин, фосфатидилсерин и др. Кроме того, фосфоглицериды принимают

участие в обменных процессах, в частности, в качестве субстратов тканевого

дыхания. Другие азотсодержащие вещества: мочевина, мочевая кислота,

аденин, гуанин, ксантин и гипоксантин – встречаются в мышечной ткани

в небольшом количестве и, как правило, являются либо промежуточными,

либо конечными продуктами азотистого обмена.

Безазотистые вещества

Одним из основных представителей безазотистых органических веществ

мышечной ткани является  г л и к о г е н . Его концентрация колеблется от

0,3 до 2% и выше. На долю других представителей углеводов приходятся

десятые и сотые доли процента. В мышцах находят лишь следы свободной

глюкозы и очень мало гексозофосфатов. В процессе метаболизма глюкозы,

а также аминокислот в мышечной ткани образуются молочная, пиро-

виноградная кислоты и много других карбоновых кислот. В том или ином

количестве в мышечной ткани обнаруживаются также триглицериды и хо-

лестерин.

Состав  н е о р г а н и ч е с к и х солей в мышцах разнообразен. Из катионов

больше всего калия и натрия. Калий сосредоточен главным образом внутри

мышечных волокон, а натрий – преимущественно в межклеточном веществе.

Значительно меньше в мышцах магния, кальция и железа. В мышечной

ткани содержится ряд микроэлементов: кобальт, алюминий, никель, бор,

цинк и др.

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
СЕРДЕЧНОЙ МЫШЦЫ И ГЛАДКОЙ МУСКУЛАТУРЫ

Сердечная мышца по содержанию ряда химических соединений занимает

промежуточное положение между скелетной мускулатурой и гладкими

мышцами. Так, общее содержание белкового азота в скелетных мышцах

кролика составляет 30–31 мг/г, а в гладкой мускулатуре (миометрий) – до

20,3 мг/г. В сердечной мышце и особенно в гладких мышцах значительно

меньше миофибриллярных белков, чем в скелетной мышце. Общее содер-

жание миофибриллярных белков в гладкой мышечной ткани желудка

примерно в 2 раза ниже, чем в скелетных мышцах. Концентрация белков

стромы в гладких мышцах и миокарде выше, чем в скелетной мускулатуре.

Известно, что миозин, тропомиозин и тропонин сердечной мышцы и глад-

кой мускулатуры заметно отличаются по своим физико-химическим свойст-

вам от соответствующих белков скелетной мускулатуры. Отмечены опре-

деленные особенности и во фракциях саркоплазматических белков. Сар-

коплазма гладкой мускулатуры и миокарда в процентном отношении

содержит больше миоальбумина, чем саркоплазма скелетной мускулатуры.

Содержание АТФ в сердечной мышце на 1 г ткани (2,60 мкмоль) ниже,

чем в скелетной (4,43 мкмоль), и выше, чем в гладкой мускулатуре

(1,38 мкмоль). По содержанию гликогена сердечная мышца также занимает

промежуточное положение между скелетной и гладкой мускулатурой. По

данным С.Е. Северина (1965), как в сердечной, так и в гладкой мускулатуре

652