Исследование актин-миозинового мотора в скелетной мышце с помощью рентгеновской дифракции

• Автор: Кубасова, Наталия Алексеевна
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 256 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Общая характеристика работы
Список использованных обозначений
Глава 1 Введение и обзор литературы
Глава 2 Объект и методы исследования
Глава 3 Интерференционное расщепление миозинового меридионального рефлекса
М3 в активно сокращающихся интактных волокнах мышцы лягушки
Глава 4 Измерение упругих свойств миозиновых молекул в состоянии ригора
с помощью дифракционной интерферометрии
Глава 5 Моделирование двумерной рентгенодифракционной картины в состоянии
ригора
Глава 6 Модель рентгеновской дифракции на тонких нитях в саркомерах скелетных

Глава 7 Моделирование рентгенодифракционной картины сокращающейся мышцы 171 Глава 8 Регистрация осевых перемещений миозиновых головок в процессе развития силы в ответ на скачок температуры с помощью дифракционной интерферометрии
Заключение
Выводы
Список литературы

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Исследование молекулярного механизма мышечного сокращения является одной из классических и, по-прежнему, актуальных проблем биофизики Мышца - уникальный орган, преобразующий химическую энергию гидролиза АТФ в механическую работу с недостижимым в искусственных двигателях КПД Актин-миозиновый молекулярный мотор приводит в движение не только поперечно-полосатые и гладкие мышцы, но и обеспечивает многие другие виды клеточной подвижности Высокоупорядоченная организация миозиновых моторов в скелетной мышце делает ее чрезвычайно удобным объектом для изучения свойств этого мотора
Современные представления о механизме мышечного сокращения были заложены около пятидесяти лет назад и в настоящее время уже не подвергаются сомнениям Согласно теории скользящих нитей и мостиковой теории (H Е Huxley, Hanson, 1954, A F Huxley, Niedergerke, 1954, A F Huxley, 1957, HE Huxley, 1969, AF Huxley, Simmons, 1971), в основе этого процесса лежит циклическое взаимодействие глобулярных фрагментов миозиновых молекул, или “поперечных мостиков”, выступающих из толстых нитей, с мономерами актина, составляющими основу тонких нитей Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние годы, в частности, определение атомных структур мономера актина, актиновой нити и миозиновой головки (Holmes и др , 1990, 2004, Rayment и др , 1993а,б, Houdusse и др , 1999, 2000, Oda и др , 2009), многие важные детали механизма работы этого молекулярного мотора остаются неизвестными По-прежнему нет полной ясности в том, с какими именно конформационными изменениями в актин-миозиновом комплексе связано развитие силы или укорочение мышечных клеток и каким образом химическая энергия гидролиза АТФ преобразуется в механическую работу Даже фундаментальные вопросы о том, какая доля миозиновых мостиков участвует в развитии активного силы в каждый момент времени и на какое расстояние миозиновая головка может переместить актиновую нить в
результате гидролиза одной молекулы АТФ, являются предметом дискуссий (Kishino, Yanagida, 1988; Finer и др., 1994; Molloy и др., 1995; Simmons и др., 1996; A.F. Huxley, 2000; Kraft и др., 2002; Linari и др., 2007).
Трудности изучения актин-миозинового мотора в значительной степени связаны с тем, что современные методы биохимии, структурной и молекулярной биологии имеют дело с изолированными белковыми молекулами, не способными развивать активных усилий и совершать механическую работу. Поэтому особое значение приобретают структурные исследования миозиновых моторов в таких условиях, в которых их механическая функция сохраняется. Одним из методов таких исследований является рентгеновская дифракция, с помощью которой можно изучать структуру изолированных мышечных волокон как интактных, так и с частично разрушенной мембраной. Развитие современных источников синхротронного излучения и быстродействующих двумерных детекторов рентгеновских фотонов высокого пространственного разрешения позволило существенно расширить возможности этого метода (Dobbie и др., 1998; Piazzesi и др., 2002). Одним из новых направлений исследований является рентгеновская интерферометрия, основанная на исследовании тонкого расщепления рентгеновских рефлексов, возникающего из-за интерференции рентгеновских лучей, рассеянных двумя половинами саркомеров поперечно-полосатых мышц.
Интерпретация экспериментальных рентгенограмм затрудняется тем, что в двумерной дифракционной картине мышцы не содержится информации о фазе рассеивающих объектов Распространённый подход к решению таких задач состоит в разработке упрощённых моделей, описывающих лишь один или несколько рефлексов (например, Irving и др., 1992, 2000; Malinchik, Yu, 1995). Сколько-нибудь общих моделей, количественно описывающих всю двумерную картину рентгеновской дифракции сокращающейся мышцы, включая интерференционное расщепление миозиновых меридиональных рефлексов, в настоящее время нет. Представляется актуальным

решёток в разных миофибриллах по отношению к входящему лучу случайна, то дифракционная рентгенограмма мышцы показывает квадрат преобразования Фурье электронной плотности белковых нитей, осреднённый по всем возможным азимутальным углам. Любой экваториальный рефлекс содержит вклад только тех участков саркомеров, для которых угол между соответствующей плоскостью (Ь, к) и входящим лучом равен брэгговскому углу для данного рефлекса.
Экваториальная координата, 1/нм
Рис. 1.11. Дифракция на мышце в экваториальной плоскости. Экваториальный профиль интенсивности на рентгенограмме одиночного демебранизованного волокна плавниковой мышцы камбалы в расслабленном состоянии (зелёная линия), в ригоре (чёрная) и во время изометрического сокращения при 5 °С (красная). Данные получены на станции ГО02 ЕБЯТ Экспериментальная методика описана в Главе 2. Экспозиция по 100 мс в каждом состоянии, длина волны 0,1 нм, длина камеры 2,5 м. Аттенюатор, поставленный вдоль экватора, уменьшал интенсивность в области обратных координат, меньших 0,064 нм'1, в несколько раз, чтобы избежать насыщения детектора. Основные рефлексы подписаны. Рисунок заимствован из нашей работы (ВегеЬкзку и др., 2009).
Два наиболее ярких экваториальных рефлекса 1,0 и 1,1 соответствуют дифракции на плоскостях, показанных на рис. 1.9. Период этих рефлексов равен УЗс//2 для (1,0) и <Л2 для (1,1) где с! - расстояние между двумя соседними толстыми нитями в саркомере.