Саркомер и сократительные белки

Саркомер — это повторяющаяся структурная и функциональная единица поперечно-полосатой мышцы, сегмент между двумя Z-дисками, чьи точно расположенные толстые и тонкие филаменты создают как поперечную исчерченность, видимую при микроскопии, так и силу сокращения. Эта тема описывает, как сократительные белки — главным образом актин и миозин — и их регуляторные и структурные партнеры организованы для обеспечения скольжения филаментов.

Definition

Саркомер — это область поперечно-полосатой миофибриллы между соседними Z-дисками, содержащая переплетающиеся тонкие (актиновые) и толстые (миозиновые) филаменты вместе с регуляторными белками (тропонин, тропомиозин) и структурными белками (включая титин), взаимодействие которых укорачивает единицу путем скольжения филаментов относительно друг друга.

Scope

Эта тема охватывает картину исчерченности саркомера (Z-диск, I-диск, A-диск, H-зона, M-линия), основные сократительные белки (миозин в толстых филаментах, актин в тонких филаментах), регуляторные белки тонких филаментов (тропонин, тропомиозин) и ключевые структурные белки, такие как титин. Она объясняет механизм укорочения на основе скольжения филаментов; она не затрагивает вопросы лечения мышечных заболеваний.

Core questions

• Какие структуры определяют границы и диски саркомера?
• Какие белки образуют толстые и тонкие филаменты?
• Как тропонин и тропомиозин регулируют образование поперечных мостиков?
• Какова роль титина и других структурных белков в саркомере?

Key concepts

• Z-диск (граница саркомера)
• I-диск, A-диск, H-зона, M-линия
• Толстый филамент (миозин)
• Тонкий филамент (актин)
• Миозиновый поперечный мостик и АТФ-цикл
• Регуляция тропонином и тропомиозином
• Кальциевый триггер сокращения
• Титин (эластичный третий филамент)
• Небулин и другие структурные белки

Key theories

Теория скользящих филаментов сокращения

Поперечно-полосатая мышца сокращается не потому, что сами филаменты укорачиваются, а потому, что тонкие (актиновые) филаменты скользят мимо толстых (миозиновых) филаментов, движимые АТФ-зависимыми миозиновыми поперечными мостиками, так что I-диск и H-зона сужаются, в то время как длина A-диска остается постоянной.

Mechanisms

В каждом саркомере толстые филаменты миозина занимают центральный A-диск, а тонкие филаменты актина простираются от Z-дисков к центру, перекрывая толстые филаменты. I-диск содержит только тонкие филаменты, а H-зона — только толстые филаменты, при этом M-линия связывает толстые филаменты в центре. Сокращение происходит по механизму скольжения филаментов: головки миозина, использующие АТФ, связываются с актином, поворачиваются и тянут тонкие филаменты к M-линии, в результате чего саркомер укорачивается, в то время как сами филаменты сохраняют свою длину, а ширина A-диска остается неизменной (Squire, 2016). В поперечно-полосатой мышце этот цикл регулируется кальцием, действующим через тропонин и тропомиозин на тонком филаменте, которые открывают или блокируют сайты связывания миозина. Помимо сократительных и регуляторных белков, гигантский эластичный белок титин простирается от Z-диска до M-линии, обеспечивая пассивное натяжение, центрируя толстые филаменты и действуя как молекулярный шаблон и пружина — так называемая третья филаментная система саркомера (Granzier & Labeit, 2005).

Clinical relevance

Белковая организация саркомера является основой для понимания наследственных саркомерных расстройств и интерпретации структурных изменений в поперечно-полосатой мышце; мутации в саркомерных белках изучаются в связи с кардиомиопатиями и миопатиями. Данная статья носит описательный и образовательный характер и не является основанием для диагностики или лечения.

Evidence & guidelines

Изложение основано на структурных и исторических обзорах механизма скольжения филаментов и динамики саркомера (Squire, 2016), на обзорах титина и ассоциированных белков (Granzier & Labeit, 2005), а также на стандартных учебниках по гистологии (Mescher, 2018). Данное описательное содержание не регулируется никакими клиническими рекомендациями.

History

Полосатая структура поперечно-полосатой мышцы была описана ранними микроскопистами, но современное понимание появилось в 1954 году, когда две независимые группы — Хью Хаксли с Джин Хэнсон и Эндрю Хаксли с Рольфом Нидергерке — предложили модель скользящих филаментов, показав, что A-диск остается постоянным, в то время как I-диск укорачивается. Последующие исследования с помощью электронной микроскопии и биохимии позволили идентифицировать сократительные и регуляторные белки, а более поздние работы установили титин как третью, эластичную филаментную систему (Squire, 2016; Granzier & Labeit, 2005).

Key figures

• Hugh E. Huxley
• Andrew F. Huxley
• Jean Hanson

Seminal works

• squire-2016
• granzier-labeit-2005

Frequently asked questions

Что такое саркомер?

Это повторяющаяся единица поперечно-полосатой мышцы, сегмент миофибриллы между двумя Z-дисками, содержащий перекрывающиеся тонкие и толстые филаменты, взаимодействие которых генерирует сокращение.

Укорачиваются ли филаменты при сокращении мышцы?

Нет. Согласно механизму скольжения филаментов, тонкие и толстые филаменты сохраняют свою длину; саркомер укорачивается потому, что филаменты скользят относительно друг друга, сужая I-диск и H-зону, в то время как A-диск остается той же ширины.