Атомное разрешение мышечного сокращения

На молекулярном уровне мышечное сокращение определяется движением молекул миозина, которые тянут актиновые филаменты. Новые изображения, полученные методом криоэлектронной микроскопии с беспрецедентным разрешением исследователями из Университета Осаки, выявили неожиданно большие конформационные изменения в молекуле миозина во время этого процесса. Эти находки, опубликованные в Nature Communications, дают новое понимание того, как миозин генерирует силу, и создают парадигму для конструирования наномашин.

Для биофизиков, таких как Кейичи Намба, профессор Университета Осаки, способность крошечных молекул миозина генерировать большое усилие, наблюдаемое в мышцах, делает его инженерным чудом.

"Миозин и актин — это наномашины, преобразующие химическую энергию гидролиза АТФ в механическую работу", — говорит он.

Миозин преобразует эту энергию, гидролизуя молекулы АТФ в движение вдоль актинового филамента. Гидролиз включает ряд конформационных изменений в миозине. Эти изменения визуализировали с помощью электронной микроскопии, но, как отмечает специально назначенный доцент Такаши Фудзии, "не было атомных изображений гидролиза АТФ, когда миозин взаимодействует с актином", что точнее отражало бы изменения миозина во время мышечного сокращения.

Фудзии и Намба использовали криоэлектронную микроскопию для получения изображений с разрешением 5.2 Å, которые показали ранее не наблюдавшееся конформационное изменение в молекуле миозина при его взаимодействии с актином. Учёные предположили, что эта конформация может объяснить, почему мышечный миозин имеет гораздо более быструю кинетику, чем другие миозины в организме.

Изображения также дают ключи к пониманию того, как миозин движется вдоль актина. Связывание АТФ вызывает вращение внутри молекулы миозина, которое уменьшает количество связей между ним и актином. Эта слабо связанная структура с высоко асимметричным распределением связей позволяет миозину отсоединиться от актина и заново присоединиться предпочтительно в одном направлении, тем самым тяня актиновый филамент. Отсоединение в противоположном направлении потребовало бы одновременного разрыва большего числа связей, что предотвращает такое отсоединение. Эта картина даёт новую перспективу понимания работы миозина.

"Это очень уникальное изображение, потому что слабо связанное состояние нестабильно и время его жизни коротко", — отметил Намба. Он полагает, что это конформационное состояние может быть причиной, по которой эксперименты по гидролизу АТФ миозином без актина плохо объясняют мышечное сокращение.

"В системе есть структурная асимметрия", — сказал он. "Это может объяснить, почему миозин перемещается на гораздо большее расстояние за один гидролиз АТФ, чем ожидалось".

Помимо предоставления новых молекулярных деталей мышечного сокращения, Намба ожидает, что структурная информация, полученная в этой работе, может быть использована для создания искусственных наномашин. "Мы изучаем природные наномашины, чтобы построить созданные человеком", — сказал он.