WMZ: Z191701361450 WMR: R209318204033 |
| ||
---|---|---|
The myosin swinging cross-bridge modelJames A. Spudich Nature Reviews Molecular Cell Biology 2, No 5, 387-392 (2001) | ||
Hugh E. Huxley's ( предложил swinging cross-bridge модель мышечного сокращения в 1969 (Рис.1). Для
базрующейся на актине системеmyosin in vitro
motility подход позволил исключить некоторые модели
контракции, связанные с конформационными
изменениями в хвостовой области молекулы.
Сами поперечныe мостики(субфрагмент 1 миозина
или S1; (Рис. 1)продемонстрированы
непосредственно и однозначно, как
моторный домен миозина. Хвост myosin II имеет критическую
функцию по образованию биполярных
толстых фрагменов, которые прикрепляют S1 моторные
домены к макромолекулярному ансамблю,
используемому для мышечного сокращения и
в контрактильных процесах, таких как
цитокинез в немышечных клетках.
| Insights from the structure of S1Наиболее важным в последнюю декаду было определение кристаллической структуры мономерного актина (G-actin) и S1. Субдомен S1 состоит из каталитического домена и домена связывания легкой цепи (рис. 2). Каталитический домен содержит нуклеотиды-связывающий сайт P-loop variety, который тесно ассоциирован с switch-I и switch-II спиралями. Нуклеотидный сайт на расстоянии 4 nm от актин-связывающего сайта, два этих сайта общаются др. с др. посредством switch-I и switch-II спралей, которые движутся в ответ на состояние нуклеотидов, особенно присутствие или отсутствие Pi в активном сайте. Распространяющаяся от края каталитического домена, самое дальнее от актин-связывающего сайта, α-спираль, окруженна двумя калмодулин-подобными легкими цепями. Предполагается, что эта область, связывающая легкие цепи, действует подобно плечу рычага, которое амплифицирует небольшие конформационные изменения вблизи нуклеотиды-связывающего сайта с помощью перепада (swinging) от большого угла при prestroke состояния к poststroke состоянию (Рис. 2).Показано, что два отдельных состояния плеча рычага - это предполагаемое prestroke состояние, а др. предполагаемое poststroke состояние.Асимметричная форма S1 позволила
перевести X-ray кристалическую структуру S1
в низко разрешающую трехмерную картину актин–S1
комплекса. Трехмерная реконструкция ЭМ
фотографий в присутствии и отсутствии АДФ
выявила различные конформации плеча
рычага, указывающие на то, что , по крайней
мере , для некоторых миозинов м.б. нужны
небольшие дополнительные stroke, которые
возникают при высвобождении АДФ из
активного сайта.
Считается, банано-образный S1,
наблюдаемый при ЭМ, м. действительно
качаться (swing), но не в актин-связывающем
сайте, а скорее в середине S1. Согласно
этой модифицированной swinging
cross-bridge модели: основное изменение в
ориентации должно происходить между
каталитическим доменом и плечом рычага,
связывающего легкие цепи (Рис. 3). Используя динамический подход с
перемещениями реактивных цистеинов
выявили 70-градусную ротацию с тремя
отличными состояниями положения плеча
рычага(Рис. 2).
How big is the myosin step?>Модель swinging cross-bridge согласуется только с
маленькими в 10-nm, шажками перемещения,
когда миозин взаимодействует с актином.
Используя отдельные мышечные саркомеры,
из которых удалены Z линии — структуры,
которые закрепляют тонкие филаменты в
саркомере — выявлены значительно
большие шаги перемещения при каждой
ступени гидролиза АТФ, более чем 100 nm.
Предполагается, что унитарный шаг в
движении для конвенционального миозина II
в 5–15 nm, по-видимому, связан с одиночным
АТФ.
Спецификация различных доменов и
специфических остатков S1 лучше всего
согласуется со следующей моделью (Рис. 3). Миозин поперечными мостиками связывается с АТФ и тем самым
освобождается от соединения с
актиновой филаментой. Поперечные мостики
затем гидролизуют АТФ и тем самым
включаются в подготовку к productive working stroke.
Повторное соединение с актином запускает
высвобождение фосфата, что в свою очередь
способствует миозиновым поперечным
мостикам вернуться в свою стартовую
конформацию, in a motion называемый 'powerstroke.'
Этот powerstroke вовлекает относительно
фиксированный каталитический домен в
связь с актином и вызывает перепад (качок)
области, связывающей легкие цепи, на
значительный угол, что позволяет сделать
шаг (working stroke) в 5–15 nm. Общим результатом
этого становится то, что присоединенная
актиновая филамента транслоцируется (передвигается)
в направлении своего минус (pointed) конца.
Хотя (Рис. 3a> упрощена, чтобы показать только
направление перемещения в течение цикла,
установлена обратимость ступеней (Рис. 3b). Напр., восстановление связи myosin–ATP и myosin–ADP с актином происходит быстро, так что промежуточные actin–myosin–ATP и actin–myosin–ADP
комплексы являются важными.
Following the myosin-V trailMyosin V имеет типичный
каталитический домен, однака
предполагаемое плечо рычага в 3 раза
длиннее, чем у миозина II (Рис. 4). Хвост myosin V также существенно отличается от миозина II, возможно из-за
его роли связывать везикулярный груз
скорее, чем формировать биполярные
толстые филаменты. Уникальным свойством myosin-V S1,
является длинное плечо рычага, которое
согласно модели swinging cross-bridge должно позволять шаги большего размера, чем у myosin II. Установлен возможный
механизм действия и как действуют
молекулярные моторы семейства миозинов. Myosin-V motor
делает большие шаги вдоль актина и
остается тесно связанным с актином в
течение большей части его
ATPase цикла. В меланоцитах меланин
содержащие пузырьки преимущественно
переносятся вдоль актиновых филамент,
закрепленных в клеточной коре. Не все
сторны актиновых филамент доступны для
миозина, тем не менее он перемещается
вдоль актиновых филамент, неся меланин-содержащие
пузырьки в дендритообразные spines
меланоцитов, откуда они поступают в
кератиноциты. Неудивительно, что шаг myosin V
равен ~36 nm (Рис. 5), т.е. спираьному повтору актиновых
филамент. Более того, myosin V перемещается
вдоль актиновых филамент in vitro даже
тогда, когда эти филаменты плотно
прилегают к поверхности одной своей
строной. В этой конфигурации myosin V не
может следовать по актиновым виткам с
большим шагом, очевидно он должен ступать
с одного сегмента спирали на др. сегмент
филаменты. | Experimental scheme of the force-feedback-enhanced laser trap. При низких концентрациях АТФ, когда обе
миозиновые головки остаются связанными с
актиновой филаментой, часто кажется, что
молекула стремится вперед в форме 'telemark
skier' (Рис. 6a).
Получены доказательства, что задержка
во времени между последовательными 36-nm
шагами ограничена связыванием АТФ при
субнасыщающих конц. АТФ и высвобождением АДФ
при насыщении АТФ (Рис. 6b).
What remains to be doneИтак, нет сомнения в том, что
глобулярные головные домены myosin II,
которые выглядаят как поперечные мостики
между актиновыми и миозиновыми
филаментами в мышце, действуют как как
моторные домены молекулы и протягивают
актиновые филаменты вдоль в результате
повторяющихся конформационных изменений,
связанныых с гидролизом АТФ.
Кристалическая структура комплекса F-actin–S1 очень важна. Знание ее позволит выявить важные аспекты взаимодействия между актином и миозином и установить как осуществляется общение между актин-связывающим сайтом, нуаклеотидным сайтом и плечом рычага. Ясно, что шагание myosin V вдоль актина
связано с высвобождением АДФ из rearward post-stroke
головки, но не из forward pre-stroke головки, что
сопровождается связыванием АТФ с rearward
головкой, чтобы освободить ее от
актиновой филаменты. Анализ myosin V с
помощью internal reflection микроскопией позволит
наблюдать одиночные АДФ и АТФ молекулы,
когда они связываются и заставляют
миозин шагать.
|