Теория скользящих нитей объясняет механизм сокращения мышц на основе мышечных белков, которые скользят друг мимо друга, создавая движение. [1] Согласно теории скользящих нитей, миозин ( толстые нити ) мышечных волокон скользят мимо актина ( тонкие нити ) во время сокращения мышц, в то время как обе группы нитей остаются относительно постоянной длины.
Теория была независимо представлена в 1954 году двумя исследовательскими группами, одна из которых состояла из Эндрю Хаксли и Рольфа Нидергерке из Кембриджского университета , а другая — из Хью Хаксли и Джин Хансон из Массачусетского технологического института . [2] [3] Первоначально она была задумана Хью Хаксли в 1953 году. Эндрю Хаксли и Нидергерке представили ее как «очень привлекательную» гипотезу. [4]
До 1950-х годов существовало несколько конкурирующих теорий сокращения мышц, включая электрическое притяжение, сворачивание белков и модификацию белков. [5] Новая теория напрямую ввела новую концепцию, называемую теорией поперечных мостиков (классически качающийся поперечный мостик, теперь в основном называемый циклом поперечных мостиков ), которая объясняет молекулярный механизм скользящей нити. Теория поперечных мостиков утверждает, что актин и миозин образуют белковый комплекс (классически называемый актомиозином ) путем прикрепления головки миозина к актиновой нити, тем самым образуя своего рода поперечный мостик между двумя нитями. Теория скользящих нитей является широко принятым объяснением механизма, который лежит в основе сокращения мышц. [6]
Первым мышечным белком, открытым немецким ученым Вилли Кюне , был миозин, который выделил его и дал ему название в 1864 году. [7] В 1939 году русские супруги Владимир Александрович Энгельгардт и Милица Николаевна Любимова обнаружили, что миозин обладает ферментативным (называемым АТФазой ) свойством, которое может расщеплять АТФ для высвобождения энергии. [8] Альберт Сент-Дьёрдьи , венгерский физиолог, сосредоточился на мышечной физиологии после получения Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1937 году за свои работы о витамине С и фумаровой кислоте . В 1942 году он продемонстрировал, что АТФ является источником энергии для сокращения мышц. Он фактически наблюдал, что мышечные волокна, содержащие миозин B, укорачиваются в присутствии АТФ, но не с миозином A, опыт, который он позже описал как «возможно, самый захватывающий момент в моей жизни». [9] Вместе с Бруно Ференцем Штраубом он вскоре обнаружил, что миозин B связан с другим белком, который они назвали актином, в то время как миозин A — нет. Штрауб очистил актин в 1942 году, а Сент-Дьёрдьи очистил миозин A в 1943 году. Стало очевидно, что миозин B представляет собой комбинацию миозина A и актина, поэтому миозин A сохранил первоначальное название, тогда как миозин B они переименовали в актомиозин. К концу 1940-х годов команда Сент-Дьёрдьи с доказательствами постулировала, что сокращение актомиозина эквивалентно сокращению мышцы в целом. [10] Но эта идея в целом была отвергнута, даже такими лауреатами Нобелевской премии, как Отто Фриц Мейерхоф и Арчибальд Хилл , которые придерживались господствующей догмы о том, что миозин является структурным белком, а не функциональным ферментом. [3] Однако в одном из своих последних вкладов в исследование мышц Сент-Дьёрди продемонстрировал, что актомиозин, приводимый в действие АТФ, является основным принципом сокращения мышц. [11]
К тому времени, когда Хью Хаксли получил докторскую степень в Кембриджском университете в 1952 году за исследования структуры мышц, Сент-Дьёрдьи посвятил свою карьеру исследованию рака. [12] Хаксли отправился в лабораторию Фрэнсиса О. Шмитта в Массачусетском технологическом институте с постдокторской стипендией в сентябре 1952 года, где к нему присоединился другой английский постдокторант Джин Хансон в январе 1953 года. Хансон получил докторскую степень по структуре мышц в Королевском колледже в Лондоне в 1951 году. Хаксли использовал рентгеновскую дифракцию , чтобы предположить, что мышечные белки, в частности миозин, образуют структурированные нити, дающие начало саркомеру (сегменту мышечного волокна). Их главной целью было использовать электронную микроскопию для изучения деталей этих нитей, как никогда ранее. Вскоре они обнаружили и подтвердили нитевидную природу мышечных белков. Миозин и актин образуют перекрывающиеся нити, миозиновые нити в основном составляют полосу А (темную область саркомера), в то время как актиновые нити пересекают как полосы А, так и полосы I (светлую область). [13] Хаксли был первым, кто предложил теорию скользящих нитей в 1953 году, заявив:
«… [Если] постулируется, что растяжение мышцы происходит не за счет удлинения нитей, а за счет процесса, в котором два набора нитей скользят [выделено добавлено] мимо друг друга; тогда растяжимость будет подавлена, если миозин и актин связаны вместе». [14]
Позже, в 1996 году, Хаксли сожалел, что ему пришлось включить Хэнсона в формулировку своей теории, поскольку она основывалась на их совместной работе. [15]
Эндрю Хаксли , которого Алан Ходжкин описал как «волшебника с научным аппаратом», только что открыл механизм передачи нервного импульса ( потенциала действия ) (за который он и Ходжкин позже получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году) в 1949 году, используя его собственную конструкцию зажима напряжения , и искал коллегу, который мог бы правильно препарировать мышечные волокна. [16] По рекомендации близкого друга Роберта Штэмпфли немецкий врач Рольф Нидергерке присоединился к нему в Кембриджском университете в 1952 году. К тому времени он понял, что традиционно используемый фазово-контрастный микроскоп не подходит для тонких структур мышечных волокон, и поэтому разработал свой собственный интерференционный микроскоп . В период с марта 1953 года по январь 1954 года они проводили свои исследования. [17] Хаксли вспоминал, что в то время единственным человеком, который когда-либо думал о скользящих нитях до 1953 года, была Дороти Ходжкин (впоследствии лауреат Нобелевской премии по химии 1964 года ). [18] Он провел лето 1953 года в Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоул, штат Массачусетс, чтобы использовать там электронный микроскоп. Там он встретил Хью Хаксли и Хансона, с которыми он поделился данными и информацией об их работах. Они расстались, договорившись, что будут поддерживать связь, и когда их цель будет достигнута, они опубликуют вместе, если они когда-нибудь «придут к схожим выводам». [2]
Теория скользящих нитей родилась из двух последовательных статей, опубликованных в выпуске Nature от 22 мая 1954 года под общей темой «Структурные изменения в мышцах во время сокращения». Хотя их выводы были принципиально схожи, их основные экспериментальные данные и предложения были разными.
Первая статья, написанная Эндрю Хаксли и Рольфом Нидергерке, называется «Интерференционная микроскопия живых мышечных волокон». Она была основана на их исследовании мышц лягушки с использованием интерференционного микроскопа, который Эндрю Хаксли разработал для этой цели. По их словам: [4]
Вторая статья Хью Хаксли и Джин Хэнсон называется «Изменения в поперечной исчерченности мышц во время сокращения и растяжения и их структурная интерпретация». Она более детальна и основана на их исследовании мышц кролика с использованием фазового контраста и электронных микроскопов. По их словам: [19]
Несмотря на веские доказательства, теория скользящих нитей не получила никакой поддержки в течение нескольких лет. [20] Сам Сент-Дьёрди отказывался верить, что миозиновые нити были ограничены толстой нитью (полосой А). [15] FO Schmitt, чей электронный микроскоп предоставил лучшие данные, также оставался скептически настроенным по отношению к исходным изображениям. [21] Также были немедленно высказаны аргументы относительно организации нитей, были ли два набора нитей (миозиновые и актиновые) просто перекрывающимися или непрерывными. Только с новым электронным микроскопом Хью Хаксли подтвердил перекрывающуюся природу нитей в 1957 году. [22] Также в этой публикации было ясно показано существование актин-миозиновой связи (теперь называемой поперечным мостиком). Но ему потребовалось еще пять лет, чтобы представить доказательства того, что поперечный мостик был динамическим взаимодействием между актиновыми и миозиновыми нитями. [23] Он получил фактическое молекулярное расположение нитей с помощью рентгеновской кристаллографии, объединившись с Кеннетом Холмсом , который обучался у Розалинд Франклин , в 1965 году. [24] Только после конференции в 1972 году в лаборатории Колд Спринг Харбор , где обсуждались теория и ее доказательства, она стала общепринятой. [25] На конференции, как позже вспоминал Косчак Маруяма, Хансону пришлось отвечать на критику криками: «Я знаю, что пока не могу объяснить механизм, но скольжение — это факт». [26] Фактические доказательства появились в начале 1980-х годов, когда можно было продемонстрировать фактическое скользящее движение с использованием новых сложных инструментов разными исследователями. [27] [28] [29]
Имея существенные доказательства, Хью Хаксли официально предложил механизм скользящей нити, который по-разному называют моделью качающегося поперечного мостика, теорией поперечного мостика или моделью поперечного мостика. [3] [30] (Сам он предпочитал название «модель качающегося поперечного мостика», потому что, как он вспоминал, «это [открытие] было, в конце концов, 1960-х годов». [2] ) Он опубликовал свою теорию в выпуске журнала Science от 20 июня 1969 года под названием «Механизм мышечного сокращения». [31] Согласно его теории, скольжение нити происходит путем циклического прикрепления и отсоединения миозина от нитей актина. Сокращение происходит, когда миозин тянет нить актина к центру полосы А, отсоединяется от актина и создает силу (удар) для связывания со следующей молекулой актина. [32] Эта идея впоследствии была детально доказана и более уместно известна как цикл поперечного мостика . [33]