Теория скользящих нитей объясняет механизм мышечного сокращения , основанный на мышечных белках, которые скользят друг мимо друга, вызывая движение. [1] Согласно теории скользящих нитей, миозин ( толстые нити ) мышечных волокон скользят мимо актина ( тонкие нити ) во время мышечного сокращения, в то время как две 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 Хэнсон 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 и модификацию белков. [5] Новая теория непосредственно ввела новую концепцию, называемую теорией поперечных мостов (классический качающийся поперечный мост, теперь в основном называемый циклом поперечных мостов ), которая объясняет молекулярный механизм скольжения нити. Теория перекрестных 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 — широко распространенное объяснение механизма, лежащего в основе сокращения мышц. [6]
Первым мышечным белком, открытым немецким учёным Вилли Кюне, был миозин , который выделил и назвал его в 1864 году . свойство, которое может расщеплять АТФ с выделением энергии. [8] Альберт Сент-Дьердьи , венгерский физиолог, сосредоточил свое внимание на физиологии мышц после получения Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1937 году за свои работы по витамину С и фумаровой кислоте . В 1942 году он продемонстрировал, что АТФ является источником энергии для сокращения мышц. Он действительно заметил, что мышечные волокна, содержащие миозин B, укорачиваются в присутствии АТФ, но не в присутствии миозина А, и этот опыт 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, а миозин А — нет. Штрауб очистил актин в 1942 году, а Сент-Дьёрдьи очистил миозин А в 1943 году. Стало очевидно, что миозин В представляет собой комбинацию миозина А и актина, так что миозин А сохранил первоначальное название, тогда как миозин В был переименован в актомиозин. К концу 1940-х годов команда Сент-Дьёрдьи предположила, что сокращение актомиозина эквивалентно сокращению мышц в целом. [10] Но эта идея в целом была против, даже со стороны таких нобелевских лауреатов, как Отто Фриц Мейерхоф и Арчибальд Хилл , которые придерживались преобладающей догмы о том, что миозин является структурным белком, а не функциональным ферментом. [3] Однако в одном из своих последних вкладов в исследования мышц Сент-Дьёрдьи продемонстрировал, что актомиозин, управляемый АТФ, является основным принципом мышечного сокращения. [11]
К тому времени, когда Хью Хаксли получил докторскую степень в Кембриджском университете в 1952 году за исследования структуры мышц, Сент-Дьёрдьи сосредоточил свою карьеру на исследованиях рака. [12] Хаксли отправился в лабораторию Фрэнсиса О. Шмитта в Массачусетском технологическом институте с постдокторской стипендией в сентябре 1952 года, где в январе 1953 года к нему присоединился другой английский постдокторант Джин Хэнсон. У Хэнсона была докторская степень. в мышечной структуре из Королевского колледжа в Лондоне в 1951 году. Хаксли использовал дифракцию рентгеновских лучей, чтобы предположить, что мышечные белки, особенно миозин, образуют структурированные нити, дающие начало саркомеру (сегменту мышечного волокна). Их главной целью было использовать электронную микроскопию для изучения деталей этих нитей, как никогда раньше. Вскоре они обнаружили и подтвердили нитевидную природу мышечных белков. Миозин и актин образуют перекрывающиеся нити, причем миозиновые нити в основном составляют полосу А (темная область саркомера), в то время как нити актина пересекают полосы А и I (светлая область). [13] Хаксли был первым, кто предложил теорию скользящей нити в 1953 году, заявив:
«…[Если] постулируется, что растяжение мышцы происходит не за счет растяжения нитей, а за счет процесса, в котором два набора нитей скользят [курсив добавлен] мимо друг друга; тогда растяжимость будет подавлена. если миозин и актин связаны друг с другом». [14]
Позже, в 1996 году, Хаксли пожалел, что ему следовало включить Хэнсона в формулировку своей теории, поскольку она была основана на их совместной работе. [15]
Эндрю Хаксли , которого Алан Ходжкин назвал «волшебником с научным аппаратом», только что открыл механизм передачи нервных импульсов ( потенциала действия ) (за который он и Ходжкин позже получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году) в 1949 году, используя разработал собственную конструкцию зажима напряжения и искал помощника, который мог бы правильно рассекать мышечные волокна. [16] По рекомендации близкого друга Роберта Штемпфли в 1952 году к нему в Кембриджском университете присоединился немецкий врач Рольф Нидергерке. К тому времени он понял, что традиционно используемый фазово-контрастный микроскоп не подходит для исследования тонких структур мышечных волокон, и таким образом разработал свой собственный интерференционный микроскоп . С марта 1953 г. по январь 1954 г. 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 (позже лауреат Нобелевской премии по химии 1964 года ). [18] Лето 1953 года он провел в морской биологической лаборатории в Вудс-Хоул, штат Массачусетс, чтобы использовать там электронный микроскоп. Там он встретил Хью Хаксли и Хэнсона, с которыми поделился данными и информацией об их работах. Они расстались, договорившись, что будут поддерживать связь, а когда их цель будет достигнута, будут публиковаться вместе, если когда-нибудь «придут к аналогичным выводам». [2]
Теория скользящих нитей родилась из двух последовательных статей, опубликованных в журнале Nature от 22 мая 1954 года под общей темой «Структурные изменения в мышцах во время сокращения». Хотя их выводы были фундаментально схожими, лежащие в их основе экспериментальные данные и предположения были разными.
Первая статья, написанная Эндрю Хаксли и Рольфом Нидергерке, называется «Интерференционная микроскопия живых мышечных волокон». Он был основан на исследовании мышц лягушки с помощью интерференционного микроскопа, который Эндрю Хаксли разработал для этой цели. По их словам: [4]
Вторая статья, написанная Хью Хаксли и Джин Хэнсон, называется «Изменения поперечной исчерченности мышц во время сокращения и растяжения и их структурная интерпретация». Он более сложен и основан на исследовании мышц кролика с использованием фазового контраста и электронного микроскопа. По их словам: [19]
Несмотря на убедительные доказательства, теория скользящей нити не получила поддержки в течение нескольких последующих лет. [20] Сам Сент-Дьёрдьи отказывался верить, что миозиновые нити ограничиваются толстыми нитями (полоса А). [15] Ф.О. Шмитт, чей электронный микроскоп предоставил наилучшие данные, также скептически относился к оригинальным изображениям. [21] Сразу возникли споры относительно организации филаментов, были ли два набора филаментов (миозин и актин) просто перекрывающимися или непрерывными. Только с помощью нового электронного микроскопа Хью Хаксли подтвердил перекрывающуюся природу филаментов в 1957 году. [22] Также именно в этой публикации было ясно показано существование актин-миозиновой связи (теперь называемой поперечными мостиками). Но ему потребовалось еще пять лет, чтобы предоставить доказательства того, что поперечный мостик представляет собой динамическое взаимодействие между нитями актина и миозина. [23] Он получил фактическое молекулярное расположение нитей с помощью рентгеновской кристаллографии, объединившись с Кеннетом Холмсом , которого обучала Розалинд Франклин , в 1965 году. [24] Это было только после конференции в 1972 году в лаборатории Колд-Спринг-Харбор. , где обсуждалась теория и ее доказательства, она стала общепринятой. [25] На конференции, как позже вспоминал Коскак Маруяма, Хэнсону 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 различные исследователи смогли продемонстрировать фактическое скользящее движение с использованием новых сложных инструментов. [27] [28] [29]
Имея веские доказательства, Хью Хаксли официально предложил механизм скольжения нити, который по-разному называют моделью качающегося поперечного моста, теорией поперечного моста или моделью поперечного моста. [3] [30] (Сам он предпочитал название «модель качающегося поперечного моста», поскольку, как он вспоминал, «оно [открытие] было, в конце концов, 1960-ми годами». [2] ) Свою теорию он опубликовал в 20-х гг. Июньский выпуск журнала Science 1969 года под названием «Механизм мышечного сокращения». [31] Согласно его теории, скольжение нитей происходит за счет циклического прикрепления и отсоединения миозина к актиновым нитям. Сокращение происходит, когда миозин тянет актиновую нить к центру полосы А, отрывается от актина и создает силу (удар) для связывания со следующей молекулой актина. [32] Эта идея впоследствии была подробно доказана и более точно известна как цикл с перекрестным мостом . [33]