Белок, который ходит

Котина Е.
(«ХиЖ», 2016, №11)

Нобелевская премия, говорите? За молекулярное устройство, которое перемещается по плоской поверхности? Одноклеточные организмы тихо посмеиваются, крутя жгутиками, покачивая ресничками и ложноножками. Да и каждый из нас, многоклеточных, — такая сложная машина, сделанная из машин, сделанных из еще меньших, но все еще сложных машинок, какая Декарту не могла присниться. Молекулярные моторы (это не метафора, а официальный термин) отвечают за транспорт ионов через мембрану, транспорт пузырьков­везикул, органелл и хромосом внутри клетки, шевеления тех же ресничек и мышечные сокращения. Одни осуществляют движение по кругу (утверждение, что «природа не изобрела колеса», неверно: вращающихся наноколесиков у природы хватает), другие — линейное, туда и обратно. А третьи практикуют бипедальное движение. Кроме шуток, наши клетки густо населены двуногими шагающими наноботами.

Всем известна роль актин­миозинового комплекса в мышечном сокращении. Мышечные клетки заполнены миофибриллами, а те состоят из белковых нитей — филаментов, актиновых и миозиновых; еще иногда вспоминают эластичный белок титин, фиксирующий концы миозиновых филаментов. В клетках скелетной мускулатуры филаменты аккуратно уложены в саркомеры — группы сократительных единиц, имеющих одинаковую длину (почему под микроскопом и видна характерная для скелетных мышц поперечная полосатость).

Миозин похож на две клюшки для гольфа, ручки которых скручены в одну спираль, а головки цепляют актиновые филаменты и сдвигают их относительно миозиновых, тем самым сокращая мышцу. Каждая головка развивает усилия в считаные пиконьютоны, но в миозиновом филаменте сотни молекул миозина, в мышечном волокне много миофибрилл, а в мышце много волокон, так что суммарное усилие может быть значительным. Цикл повторяется, пока в цитоплазме есть ионы кальция и АТФ.

s 20161113 belok-1.jpg

На электронной микрофотографии миофибриллы хорошо видны саркомеры, состоящие из актиновых и миозиновых филаментов. Реакцию, которая обеспечивает сокращение мышцы, можно разделить на четыре этапа.

1. Головка миозина связывает молекулу АТФ, при этом разрывается связь между актином и миозином. Теперь миозин может взаимодействовать с новой актиновой субъединицей — сделать «шаг» вдоль нити. (Это взаимодействие пройдет до конца лишь в том случае, если нервный импульс повысит концентрацию ионов кальция в мышечном волокне.)

2. Миозин гидролизует АТФ до АДФ и фосфата и прочно связывается с актином.

3. Фосфат высвобождается, головка миозина сгибается, актиновые филаменты перемещаются относительно миозиновых.

4. Миозин высвобождает АДФ, но сам останется прочно привязанным к актину до появления новой молекулы АТФ.


Но миозины присутствуют не только в мышечных волокнах: в семействе миозинов 18 классов. Мышечные миозины (класс II) перебирают лапками по актину, как гусеница по травинке. Миозин V и похож на римскую пятерку или букву «лямбда»: короткий хвостик и две головки, или, скорее, две ноги, широко шагающие по актиновой нити (длина шага целых 36 нм) — а эти нити пронизывают каждую клетку, образуя цитоскелет. К хвостику могут прицепляться везикулы, РНК, митохондрии, и миозин их тащит куда надо.

Сотрудники физического факультета токийского Университета Васэда в 2007 году приклеили к одной из «ног» миозина тубулиновую микротрубочку с флуоресцентной меткой, чтобы понаблюдать за прогулкой в реальном времени («Science», 2007, 316, 5828, 1208—1212, doi: 10.1126/science.1140468). С тех пор было сделано не одно подобное исследование, и ролики с анимированной реконструкцией гуляющих белков — не только миозина V, но и других, например кинезина, идущего по тубулину, — собирают сотни тысяч просмотров. Конечно, все понимают, что белок не наделен разумом и характером, что это просто биомашинка, но, глядя, как он шлепает вперед с апломбом и грацией диснеевского гнома, да еще тащит за собой огромный мешок везикулы, — невозможно не улыбнуться.

s 20161113 belok-2.jpg
Прогулка миозина V по актиновой нити

Гуляющие белки в рисованных видеороликах так загребают ногами не смеха ради. Наиболее правдоподобные модели — именно те, где походка у них как у сильно пьяного или стукнутого по голове героя мультика. Когда та нога, что сзади, отрывается от актина, передняя наклоняется вперед под острым углом (на это расходуется энергия АТФ). А свободную ногу забрасывает вперед броуновское движение. Действием инерции и силы тяжести для белков в растворе можно пренебречь, а вот тепловое движение молекул учитывать необходимо. Оно и определяет изящество походки.

Автор этой заметки не стремится умалить заслуги лауреатов 2016 года. Если у кого­-то (тем более у самой эволюции!) результаты лучше наших, это не повод для огорчения, а новая цель. Кто знает, может быть, моторчик и машинка Бена Феринги — лишь первый шаг, а в конце пути — роботы, состоящие из маленьких механизмов, такие же сложные, как мы сами.

 

Видеоролики с гуляющими белками

Миозин V (https://www.youtube.com/watch?v=KfEbuHCGIIo). Реальные видеокадры можно посмотреть в приложениях к статье «Video imaging of walking myosin V by high­speed atomic force microscopy» (Kodera et al, «Nature», 2010, 468, 7320, 72—76, doi:10.1038/nature09450).

Кинезин ( https://www.youtube.com/watch?v=y-uuk4Pr2i8 ).

Разные разности

12.09.2018 18:00:00

Сотрудники геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова провели исследования арктического кратера на полуострове Ямал, выяснили причину его образования и открыли новое геологическое явление, ранее известное только для ледяных планет и планетоидов.

>>
07.09.2018 10:00:00

Сотрудник кафедры зоологии позвоночных МГУ имени М.В. Ломоносова в ходе международной экспедиции нашёл и описал новый вид тонконогих чесночниц. Вид назвали Leptobrachium tenasserimense.

>>
04.09.2018 10:00:00

...возможно, на Марсе есть подледное озеро жидкой воды шириной 20 км...


...редактирование геномов с помощью CRISPR-Cas9 может вызывать обширные делеции и геномные перестройки, затрагивающие многие тысячи нуклеотидов и потенциально патогенные...


...гугл-очки с функцией распознавания эмоций по выражению лица снижают проявления аутизма у детей...


>>
31.08.2018 10:00:00

Однозначно ответить на вопрос, какая сила позволяет паукам летать на своей расправленной паутине, никто не может почти двести лет. Похоже на электрическое явление, но никто пока что не собрался изучить связь паука с электричеством. Этот промах исправили Эрика Морли и Дэниэл Роберт из Бристольского университета.

>>
29.08.2018 13:00:00

Ответ на вопрос, заданный в заголовке, искали орнитологи во главе с Мартином Найфеллером из Базельского университета. Правда, не для всех птиц, а для тех, что уничтожают вредителей садов и огородов.

>>