Разгадан механизм движения «шагающего белка»

Так миозин V шагает по актиновой нити. Движение происходит справа налево. Сначала одна из «ног» миозина (зеленая) отделяется от актиновой нити, затем другая нога (синяя) наклоняется вперед. После этого зеленая нога хаотически вращается на шарнире до тех пор, пока не наткнется на актиновую нить. Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Так миозин V шагает по актиновой нити. Движение происходит справа налево. Сначала одна из «ног» миозина (зеленая) отделяется от актиновой нити, затем другая нога (синяя) наклоняется вперед. После этого зеленая нога хаотически вращается на шарнире до тех пор, пока не наткнется на актиновую нить. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Японские исследователи сумели пронаблюдать под микроскопом работу одного из «молекулярных моторов» живой клетки — шагающего белка миозина V, который умеет активно передвигаться вдоль актиновых волокон и перетаскивать прикрепленные к нему грузы. Каждый шаг миозина V начинается с того, что одна из его «ног» (задняя) отделяется от актиновой нити. Затем вторая нога наклоняется вперед, а первая свободно вращается на «шарнире», соединяющем ноги молекулы, до тех пор, пока случайно не коснется актиновой нити. Конечный итог хаотического движения первой ноги оказывается строго детерминирован благодаря фиксированному положению второй.

В основе любых активных движений, совершаемых живыми организмами (от движения хромосом при клеточном делении до мышечных сокращений), лежит работа «молекулярных моторов» — белковых комплексов, части которых способны двигаться друг относительно друга. У высших организмов важнейшими из молекулярных моторов служат молекулы миозина разных типов (I, II, III и т. д., вплоть до XVII), способные активно передвигаться вдоль актиновых волокон.

Многие «молекулярные моторы», в том числе миозин V, используют принцип шагающего движения. Они передвигаются дискретными шажками примерно одинаковой длины, причем впереди оказывается попеременно то одна, то другая из двух «ног» молекулы. Однако многие детали этого процесса остаются неясными.

Сотрудники физического факультета университета Васэда (Department of Physics, Waseda University) в Токио разработали методику, позволяющую наблюдать за работой миозина V в реальном времени под микроскопом. Для этого они сконструировали модифицированный миозин V, у которого стержни ног обладают свойством накрепко «приклеиваться» к тубулиновым микротрубочкам. Добавляя в раствор модифицированного миозина V фрагменты микротрубочек, ученые получили несколько комплексов, в которых кусок микротрубочки приклеился только к одной ноге миозина V, а вторая осталась свободной. Эти комплексы сохранили способность «шагать» по актиновым волокнам, и за их движениями можно было наблюдать, поскольку фрагменты микротрубочек гораздо крупнее самого миозина, и к тому же их метили флуоресцирующими метками. При этом использовали два экспериментальных дизайна: в одном случае фиксировали в пространстве актиновое волокно, а наблюдения вели за движением фрагмента микротрубочки, а во втором фиксировали микротрубочку и наблюдали за движением фрагмента актинового волокна.

Схема эксперимента: тубулиновая микротрубочка (зеленый цилиндр) присоединена к одной из ног миозина. Актиновая нить зафиксирована в пространстве. Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Схема эксперимента: тубулиновая микротрубочка (зеленый цилиндр) присоединена к одной из ног миозина. Актиновая нить зафиксирована в пространстве. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

В итоге «походку» миозина V удалось изучить в больших подробностях (см. первый рисунок). Каждый шаг начинается с того, что «задняя» нога миозина отделяется от актинового волокна. Затем та нога, которая осталась прикрепленной к волокну, резко наклоняется вперед. Именно в этот момент расходуется энергия (происходит гидролиз АТФ). После этого «свободная» нога (на рисунках — зеленая) начинает хаотически болтаться на шарнире. Это не что иное, как броуновское движение. Заодно, кстати, ученым удалось впервые показать, что шарнир, соединяющий ноги миозина V, совершенно не стесняет их движений. Рано или поздно зеленая нога касается своим концом актиновой нити и прикрепляется к ней. Место, где она прикрепится к нити (и, следовательно, длина шага) полностью определяются фиксированным наклоном синей ноги.

В эксперименте поиск актиновой нити свободной ногой миозина V занимал несколько секунд; в живой клетке это, видимо, происходит быстрее, поскольку там миозин шагает без гирь на ногах. Грузы — например, внутриклеточные пузырьки, окруженные мембранами — крепятся не к ногам, а к той части молекулы, которая на рисунке изображена как «хвостик».

Источник: Katsuyuki Shiroguchi, Kazuhiko Kinosita Jr. Myosin V Walks by Lever Action and Brownian Motion // Science. 2007. V. 316. P. 1208–1212.

Александр Марков


12
Показать комментарии (12)
Свернуть комментарии (12)

  • kbob  | 01.06.2007 | 13:49 Ответить
    На сколько я понял обе наги симметричны. Каким образом АТФ определяет где задняя нога? Почему в итоге движение происходит только в одну сторону?
    Ответить
    • PavelS > kbob | 01.06.2007 | 18:37 Ответить
      Переспрошу другими словами, т.к. мне это тоже интересно.
      "Затем та нога, которая осталась прикрепленной к волокну, резко наклоняется вперед." вот интересно, как молекула понимает, где этот "перёд", и что ей мешает сжечь ещё 1 молекулу АТФ, и изогнуться назад, и так дёргаться до бесконечности.
      По ходу дела вопрос, почему ноги то приклеиваются, то отклеиваются - т.е. что меняет силу связи.
      Ответить
      • kbob > PavelS | 02.06.2007 | 09:19 Ответить
        Ноги то приклеиваются то отклеиваться случайным образом. Это обратимая адсорбция белка на поверхность нити. То-есть белок как бы стоит переминаясь с ноги на ногу. Основной момент движения - "Затем та нога, которая осталась прикрепленной к волокну, резко наклоняется вперед", а вот где этот самый перед я тоже не понимаю.
        Ответить
  • dims  | 03.06.2007 | 04:46 Ответить
    Да, сразу вспомнилась анимация, которую кто-то давал, кажется, тут:

    http://multimedia.mcb.harvard.edu/media.html
    Ответить
  • Александр Марков  | 03.06.2007 | 11:35 Ответить
    Ну, во-первых, тут еще далеко не все известно и понятно. К сказанному в заметке могу добавить следующее. Когда миозин стоит двумя ногами на актине, то передняя нога отличается от задней двумя особенностями: 1) углом, под которым соединены стержень и головка (см. рис. - у передней ноги сочленение головки и стержня согнуто, у задней - распрямлено), 2) тем, что к головке передней ноги уже прикрепилась молекула АТФ, а к задней - еще нет.

    Головки ног обладают АТФ-азной активностью. Это значит, что они связывают, а затем гидролизуют АТФ. Так вот, задняя нога (предположительно) отделяется от актина в тот момент, когда к ее головке прикрепляется АТФ. Так что это - не случайность. Сколько придется ждать (и, соответственно, скорость движения) - зависит от концентрации АТФ. Открепление задней ноги от актина, возможно, служит сигналом для передней ноги (может быть, сигнал чисто механической природы, меняются какие-нибудь там напряжения между частями молекулы). В ответ на этот сигнал головка передней ноги производит гидролиз АТФ и меняет свою конфигурацию, т.е. с силой "разгибает" сочленение между головкой и стержнем (см. рис.). В результате нога наклоняется именно вперед, а не назад. Остается открытым вопрос - когда и почему головка снова становится наклонной относительно стержня. Ясно, что это происходит в тот период времени, когда нога не прикреплена к актину. Может быть, это "сгибание", происходящее без затрат энергии (как "расслабление"?), тоже индуцируется прикреплением молекулы АТФ к головке. Или откреплением от актина.
    Ответить
  • zemleroi  | 09.06.2007 | 08:21 Ответить
    Я полагаю, что оригинал названия ни факультета, ни самого университета Васэда не может быть английским. А у вас между тем написано в скобках: Department of Physics, Waseda University. Это как в 'Коммерсанте' пишут Ким Чен Ир (Kim Chong Il). У ваших читателей может создаться впечатление, что мир объективно существует по-английски и уж во всяком случае записан латинскими буквами...
    Ответить
    • editor > zemleroi | 09.06.2007 | 13:54 Ответить
      Уважаемый zemleroi!

      Публикуя на сайте "Элементы" научные новости, мы стараемся дать возможность читателю самому найти в интернете дополнительную информацию на данную тему -- даем ссылки на источник, указываем "латинское" написание фамилий, а также английские названия научных учреждений (даже если университет, к примеру, германский или французский). Научный интернет действительно в основном англоязычный, ничего с этим не поделаешь. А если мы напишем название университета по-японски (даже если мы ценой невероятных усилий научимся писать на сайте японские шрифты и иероглифы), вряд ли это кому-нибудь из читателей что-нибудь даст, разве что кроме тех, кто и так прекрасно знает японский.

      Мы сейчас для интереса попробовали открыть сайт Университета Васэды (http://www.waseda.jp/ ), выбрав японский язык. Ничего не вышло! Насильно открывается английский вариант сайта.

      Ну вот, через меню "Language" все-таки удалось выбрать японский (http://www.waseda.jp/top/index-j.html ). Может быть, у всех читателей компьютеры и поддерживают японский, но у нас на этой странице только куча вопросительных знаков и несколько иероглифов, сделанных как картинки. Но самое главное, вверху страницы крупными буквами -- японское название университета: Waseda University.
      Ответить
      • zemleroi > editor | 11.06.2007 | 01:58 Ответить
        Уважаемый editor!

        Вы, конечно, понимаете, что название университета Васэда на японском языке не записывается латинскими буквами, даже если из желания щегольнуть перед метрополией японцы и повесили сверху английское название. Насчёт оригинала названия вы можете посмотреть в 'Википедии' ru.wikipedia.org/wiki/Университет_Васэда. Впрочем, дело не в этом.
        Далее вы утверждаете, будто даёте английские названия немецких и французских научных учреждений. Возможно, вы намереваетесь так поступать, но я такого у вас ещё не видел. Слава богу, Сорбонну вы всё-таки не называете Paris University! Да и название Белградского или Ташкентского университета, пожалуй, не станете в скобках переводить на язык научного интернета...
        Вряд ли, пишете вы, что-нибудь даст приведение японского названия, потому что нужно это только тому, кто (уже) знает японский язык. А английское название? Оно, надо полагать, особенно полезно людям, которые английского языка ещё не знают (тем более, если они знают французский или немецкий). - А если они-таки уже знают, тогда может быть писать всё по-английски? Или вообще махнуть рукой на сайт? Пусть себе читают новости по-английски: научный-то интернет весь такой?
        А между тем уж кому-кому, а нам-то с вами должно быть известно, что наука творится не только по-английски! Ведь точно так же, как и вы в своём ответе, рассуждали американцы двадцать лет тому назад. И заблуждались! (И заблуждаться по прежнему продолжают.) В Германии, Франции, в Советском Союзе, в Японии, в Китае существовали и продолжают существовать сильные научные школы. А ваша редакторская практика низводит замечательное начинание обзора научных достижений _мировой_ науки до уровня провинциального пересказа столичных газет. В данном случае провинция - это мир (Россия, Япония), а столица - США. Конечно, это ни в коей мере не относится к содержанию статей, а лишь к редакторской работе. Не стоит из научных новостей делать текст по методу Ильи Франка. Ведь роль редактора в том, в частности, и состоит, чтобы исправить перевод названий научных учреждений и транслитерацию имён. Примеры, которые вы приводите в ответе на мой отзыв, показывают, что редакторская практика на сайте ещё не устоялась, и я горячо призываю вас её пересмотреть.
        С уважением,
        Землерой
        Ответить
        • UNV > zemleroi | 17.06.2007 | 22:26 Ответить
          На самом деле, лучше приводить корректную английскую (хепберновскую, преимущественно) транскрипцию, чем писать "митсубиши" и т.п., транслируя латинские буквы на русский и полностью игнорируя отечественную школу японистики (а именно транскрипцию Поливанова, согласно которой нужно писать "мицубиси").

          Понятно, что японцы пишут кандзи, хираганой и катаканой - и многим японцам непонятна латинская запись (при том, что с самой латинской транслитерацией всё очень не просто: http://www.susi.ru/SiOrShi3.html#2 ), но Windows даже в русской поставке не обладает соответствующими шрифтами для их отображения (хотя с этим можно разобраться: http://ru.wikipedia.org/wiki/Справка:Многоязыковая_поддержка ).

          Думаю, что для русскоязычных пользователей лучше давать правильную русскую транскрипцию (а в скобочках хепберновскую, чтобы можно было просто искать в гугле). Для этого, кстати, есть универсальный транслятор латинской-русской транскрипций японского: http://anime.dvdspecial.ru/Japan/transcription.shtml
          Ответить
          • zemleroi > UNV | 17.06.2007 | 22:42 Ответить
            Приятно увидеть единомышленника! По этому поводу я тоже как-то обращался к редакторам сайта, но редакция не согласна даже с использованием стандартной (т.е. поливановской) кириллической записи с японского: http://elementy.ru/news?discuss=430241
            Ответить
          • zemleroi > UNV | 17.06.2007 | 23:55 Ответить
            То же самое относится к записи китайских имён: несмотря на то, что я указывал редакции на правильную запись имени китайского палеонтолога Сяо Шухай, его не исправили, а оставили латиницей (то есть читателю будет вообще непонятно, как следует произносить имя учёного)!
            http://elementy.ru/news?discuss=430365
            Вообще, непонятно, зачем в тексте давать имена на языке оригинала (а уж тем более на языке, к оригиналу отношения не имеющем). В конце заметки дана ссылка на английскую статью, из которой читатель и так может почерпнуть английскую запись имени автора.
            Ответить
      • neoakut > editor | 13.06.2007 | 16:42 Ответить
        Присоединяюсь к Землерою. Действительно, не вполне понятно, для кого вы держите этот узел. Для отсталой деревенщины, ЕЩЕ не выучившей английского? А когда все выучат, узел закроется? Если мы все так гонимся за модой, то пора учить иероглифы - не сегодня-завтра придется писать названия вузов по-китайски.
        Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»