Сердечные тайны тарантула

В 2018 году за выдающиеся достижения в оригинальных научных исследованиях наш коллега, биофизик из Венесуэлы Рауль Падрон (Raúl Alejandro Padrón Cremа), был избран иностранным членом Национальной Академии наук США. Недавно в Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) вышла его инаугурационная статья в соавторстве с учеными из разных стран, в том числе и нашим скромным участием, посвященная исследованию молекулярных структурных изменений, происходящих при сокращении мышцы ноги тарантула [1]. Несмотря на экзотический объект исследования, эта работа не только позволяет понять механизмы работы самых разных мышц животных и человека, но и имеет непосредственное отношение к некоторым болезням сердца.

Профессор Рауль Падрон. Фото Marie Craig
Профессор Рауль Падрон. Фото Marie Craig

Рауль Падрон родился в Каракасе в Венесуэле в 1950 году. Еще школьником он заинтересовался наукой и начал работать в биохимической лаборатории. Он окончил университет в Каракасе по специальности инженер-электрик, затем с отличием защитил магистерскую работу по биологии, а в 1979 году получил степень PhD по биофизике. В 1980–1983 годах он был постдоком в лаборатории молекулярной биологии в Кембридже в группе Хью Хаксли (Hugh Huxley, 1924–2013), классика структурной биологии мышц и одного из авторов теории скользящих нитей, на которой основаны современные представления о молекулярном механизме мышечного сокращения. О годах, проведенных в Кембридже, и о своем учителе Хью Хаксли Рауль написал очень теплые воспоминания, полные как научных, так и личных впечатлений [2].

В 1983 году Падрон вернулся на родину и начал работать в Венесуэльском институте научных исследований, в котором основал и возглавил центр структурной биологии. В 1997–2011 годах он был иностранным стипендиатом Медицинского института Ховарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute). Экономический и политический кризис в Венесуэле, особенно усугубившийся после прихода к власти Николаса Мадуро в 2013 году, превратил работу Падрона и его группы в ежедневный подвиг. В 2017 году им перестали платить зарплату, время от времени правительство выключало Интернет; общение с иностранными коллегами и поддержание работы лаборатории требовало невероятных усилий. В стране не работал общественный транспорт, не хватало предметов первой необходимости. Венесуэлу покинули 14% жителей, в том числе все четверо детей семьи Падрон. Несмотря на это, Рауль оставался в Каракасе, продолжал научную работу и регулярно публиковал новые статьи. Только в прошлом году Падрон с женой, тоже научным сотрудником, переехал в США и теперь работает в университете Массачусетса.

Много лет назад Рауль Падрон обнаружил, что микроскопические нити, образованные моторным белком миозином в мышцах тарантула, длиннее и толще, а, главное, гораздо лучше упорядочены, чем в мышцах позвоночных. Это делает мышцы тарантула идеальным объектом для структурных исследований. Все мышцы сокращаются в результате взаимодействия миозиновых молекул с актином.

Источником энергии для механической работы служит гидролиз АТФ, катализуемый миозином, как обнаружили в 1938 г. В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова. Длинные стержневые части миозиновых молекул образуют стволы толстых нитей, из которых выступают глобулярные моторные фрагменты молекул — головки. При сокращении мышцы головки присоединяются к тонким нитям, образованным другим белком — актином, и тянут их, что приводит к относительному перемещению толстых и тонких нитей и сокращению мышцы, КПД которой может превышать 50%.

Взаимодействие миозина с актином при сокращении мышцы увеличивает скорость гидролиза АТФ миозином в 1000 раз. В расслабленной мышце скорость гидролиза АТФ еще в 10 раз меньше, чем у изолированных миозиновых головок. Падрон и его коллеги определили структуру миозиновых нитей тарантула с помощью криоэлектронной микроскопии и обнаружили, что головки миозина плотно прилегают к стволу миозиновой нити и друг к другу, блокируя взаимодействие с актином и гидролиз АТФ [3]. Эта структура с более высоким разрешением показана на рисунке справа вверху; слева внизу — новорожденный тарантул.

Рисунок подготовлен Lorenzo Alamo и Weikang Ma
Рисунок подготовлен Lorenzo Alamo и Weikang Ma

Позднее подобные структуры были обнаружены в скелетных и сердечной мышцах позвоночных. Оказалось, что плотная упаковка головок на поверхности миозиновых нитей играет существенную роль в поддержании расслабленного состояния мышцы. Более того, выяснилось, что у пациентов с гипертрофической кардиомиопатией эта хорошо упорядоченная структура дестабилизируется. Таким образом, стало понятно, что для запуска мышечного сокращения недостаточно открыть актин для присоединения миозиновых головок — необходимо разобрать упорядоченную структуру на поверхности миозиновой нити, чтобы миозиновые головки освободились от соседей, смогли найти мономеры актина и присоединиться к ним. Эта задача в разных мышцах, по-видимому, решается по-разному.

В 2019 году Рауль его коллеги из Венесуэлы и США провели эксперименты на синхротроне APS в Чикаго и получили рентгенодифракционные диаграммы живых мышц ноги тарантула в покое (в центре рисунка) и при сокращении в различных режимах. Их, в частности, интересовала роль фосфорилирования миозина в запуске сокращения. Именно эта работа недавно опубликована в PNAS.

Наш скромный вклад состоял в том, чтобы показать, что атомная модель, полученная по данным криоэлектронной микроскопии, прекрасно описывает рентгенодифракционную картину живых мышц тарантула. Таким образом, был получен ответ на «проклятый вопрос» структурной биологии: насколько форма биологических объектов меняется в процессе замораживания или кристаллизации при использовании методов криоэлектронной микроскопии или рентгеновской кристаллографии.

Оказалось, что структуры нитей и головок миозина в мышце тарантула in vivo такие же, как в ЭМ-образцах, с точностью до разрешающей способности методов. Мы также количественно оценили долю миозиновых головок, отходящих от ствола нити и участвующих в сокращении мышцы в различных условиях, и влияние фосфорилирования миозина на структурные изменения мышцы при ее сокращении.

Даже на фоне бушующей пандемии COVID-19 болезни сердца остаются наиболее частой причиной смерти в мире. Изучение молекулярных деталей работы и регуляции мышц может помочь понять молекулярные механизмы некоторых болезней сердца и способствовать разработке новых фармакологических препаратов и методов лечения.

Наталия Кубасова, Андрей Цатурян (НИИ механики МГУ)

  1. pnas.org/content/117/22/11865.short
  2. academia.edu/4544222/Two_and_a_half_years_at_the_LMB_that_imprinted_my_scientific_career_1980–1983
  3. raul-padron.droppages.com/Woodhead_et_al_Nature_2005.pdf

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 См. также:

  • Жизнь, отданная науке. К 70-летию со дня рождения генетика Е. В. Ананьева (1947–2008)09.05.2017 Жизнь, отданная науке. К 70-летию со дня рождения генетика Е. В. Ананьева (1947–2008) Множество важных научных открытий подарил миру ХХ век, в том числе в области биологии и генетики. И одним из таких открытий является обнаружение мобильных генетических элементов. Трудно представить, что существование подвижных элементов в геноме всего несколько десятилетий назад казалось настоящей фантастикой. Точку в этом вопросе, положившую конец всем сомнениям, поставила группа советских ученых, которые первыми обнаружили в 1976 году мобильные элементы в геноме дрозофилы. Одним из них был замечательный ученый Евгений Витальевич Ананьев.
  • Он научил нас видеть красоту биологии05.12.2017 Он научил нас видеть красоту биологии Юрий Маркович Васильев скончался 30 июня 2017 года. 26 ноября ему бы исполнилось 89 лет. Он был выдающимся ученым и учителем. Мы публикуем воспоминания его коллег, учеников и друзей.
  • Памяти А. А. Абрикосова11.04.2017 Памяти А. А. Абрикосова Последние полгода стали скорбными для мирового сообщества физиков-теоретиков: один за другим ушли из жизни такие яркие представители физики ХХ века, как Л. В. Келдыш, Л. П. Горьков, С. Т. Беляев, Л. Д. Фаддеев и, на прошлой неделе, А. А. Абрикосов. Об огромном научном наследии выдающегося физика-теоретика, лауреата Нобелевской, Ленинской, Государственной и многих других премий, члена РАН и Национальной академии наук США, почетного доктора десятка университетов мира можно говорить долго. С его именем связаны многие открытия теории конденсированных сред, квантовой электродинамики, однако в историю А. А. Абрикосов вошел как создатель теории сверхпроводимости второго рода. Что же касается подробностей, у меня сохранилась автобиография А. А. с перечнем тех задач, которые он сам считал важнейшими из выполненных в его жизни. […]
  • Евгению Кунину исполнилось 6001.11.2016 Евгению Кунину исполнилось 60 26 октября исполнилось 60 лет биологу Евгению Кунину, вед. науч. сотр. Национального центра биотехнологической информации Национальной медицинской библиотеки Национальных институтов здравоохранения США. Публикуем поздравительный адрес в его честь от профессора Мичиганского университета Алексея Кондрашова и желаем Евгению Викторовичу здоровья и счастья.
Подписаться
Уведомление о
guest
2 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Yura Marusik
Yura Marusik
5 месяцев(-а) назад

Название и abstract оригинала не содержит названия паука, ни вида, ни рода, ни семейства, то есть повторить наблюдения нельзя (вероятно все пауки, и не только, имеют одинаковый механизм, но всё же …).

Перевод (на русский) и отчасти оригинальное название — несколько безграмотное, в русском языке тарантул — это паук волк Lycosa tarantula, эксперементаторы использовали пауков, которые по русски называются пауки-птицееды или мигаломорфы.
tarantula английском (международном) преимущественно используется для птицеедов (из много семейств и видов), но в Европейском английском используется слово для паука, обитающего в Средиземноморье Lycosa tarantula.

Андрей Цатурян
5 месяцев(-а) назад
В ответ на:  Yura Marusik

Спасибо большое!

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: