Рентгенодифракционное исследование наномеханики мышечного сокращения

Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 549-550

УДК 577.353

РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОМЕХАНИКИ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

© 2011 г. А.К. ЦатурянН.А. Кубасова1, С.Ю. Бершицкий2, М.А. Ференцзи1

'НИИ механики Московского госуниверситета им. М.В. Ломоносова 2Институт иммунологии и физиологии УрО РАН, Екатеринбург 3Имперский колледж, Лондон

tsat@imec.msu.ru

Поступила в редакцию 15.06.2011

Представлены результаты экспериментальных исследований структурных изменений в сокращающихся клетках скелетной мышцы в ответ на различные механические воздействия. Эксперименты были проведены на станции ГО02 Европейского источника синхротронного излучения (Гренобль, Франция) и включали в себя одновременную регистрацию двухмерной дифракционной рентгенограммы с временным разрешением до 1 мс и макроскопических механических величин (напряжения и деформации) в ответ на различные импульсные воздействия. Для анализа и количественной интерпретации экспериментальных данных использован метод прямого моделирования, основанный на известных атомных структурах сократительных белков и предложенном нами методе параметризации (принцип минимума упругой энергии). Обсуждаются метод рентгенодифракционной интерферометрии для определения субнаномет-ровых перемещений сократительных белков в сокращающейся мышце и соответствующие математические модели, а также возможности использования рентгенодифракционных данных для изучения крутильных и сдвиговых компонент деформации белковых компонентов сокращающейся мышцы.

Ключевые слова: мышца, напряжение, рентгеновская дифракция, моделирование.

В основе мышечного сокращения лежит взаимодействие двух моторных белков — актина и миозина, которые организованы в микроскопические нити. Мышца совершает механическую работу путем прямого преобразования свободной энергии гидролиза аденозинтрифос-форной кислоты (АТФ) в активном центре миозина. Молекулярные механические процессы, лежащие в основе мышечного сокращения, остаются, во многом, неизвестными, а их выяснение представляет собой фундаментальную проблему молекулярной биомеханики, имеющую потенциальные приложения.

В скелетных и сердечных мышцах актино-вые и миозизиновые нити образуют высокоупорядоченные структуры — саркомеры — с правильной, близкой к кристаллической, упаковкой. Благодаря такой упорядоченности, нано-метровые перемещения и пиконьютонные силы отдельных моторных молекул складываются в макроскопические деформации и напряжения, а при прохождении через мышцу монохроматических рентгеновских лучей возникает богатая дифракционная картина, по изменениям ко -торой можно исследовать молекулярные движения, лежащие в основе макроскопического механического ответа мышцы на те или иные

воздействия [1].

Представлены результаты исследований, проведенных в 2006—2010 гг. на станции ГО02 Европейского источника синхротронного излучения в Гренобле (ББКР, Франция), в которых одновременно регистрировали изменения макроскопических механических характеристик и рентгенодифракционной картины сокращающихся мышц в ответ на различные воздействия.

Для количественной интерпретации рентгенодифракционных картин мы использовали метод прямого математического моделирования, который основан на имеющейся структурной информации (атомные структуры миозиновых и актиновых молекул, полученные с помощью белковой кристаллографии, данные электронно-микроскопических исследований) и эффективной параметризации выбора актиновых мономеров, к которым присоединяются миозиновые молекулы. Расчетные рентгенодифракционные картины получали путем осреднения квадрата амплитуды преобразования Фурье модельных карт электронной плотности и сравнивали их с экспериментальными рентгенограммами. При минимальном числе произвольных параметров модель хо -рошо описывает всю двумерную дифракционную диаграмму в различных состояниях мышц [2, 3].

В результате измерений интенсивности вне-меридиональных слоевых линий в мышечных волокнах показано, что в развитии силы максимального изометрического (при постоянной деформации) сокращения принимает участие около 40% общего числа головок молекул, каждая из которых развивает при температуре, близкой к физиологической, силу примерно в 6 пН. Показано, что в ходе укорочения мышцы происходит поворот «шейных» участков миозино-вых молекул относительно глобулярных «головок», прочно связанных с актином, а в ответ на растяжение мышцы под действием внешней силы число присоединенных к актину головок возрастает, но характер их связи с актином меняется с прочной, стерео-специфической на слабую, нестерео-специфическую.

Хотя пространственное разрешение рентгеновской дифракции на мышечных волокнах не превосходит 2.5 нм [4], метод интерферометрии [5, 6], основанный на анализе тонкого высокочастотного расщепления миозиновых меридиональных рефлексов на рентгенограмме сокращающегося мышечного волокна дает возможность исследования осевых перемещений с точностью до 0.1—0.2 нм. Такое расщепление обусловлено интерференцией рентгеновских лучей, рассеянных двумя половинами саркомера.

Для анализа и интерпретации данных, полученных этим методом, разработана математическая модель интерференционного расщепления меридионального миозинового рефлекса М3, кото -рый возникает при дифракции рентгеновских лучей на линейной решетке, образованной ярусами миозиновых головок, выступающими с осевым периодом —14.5 нм из толстой миозиновой нити. Модель учитывает возможные изменения фор-

мы головок и растяжимость миозиновых нитей. С помощью этой модели удалось объяснить как результаты собственных экспериментов, в ко -торых было проведено измерение изменений тонкой структуры М3 в ответ на скачок температуры в сокращающемся мышечном волокне [6], так и казавшиеся парадоксальными результаты экспериментов других авторов.

Обсуждаются вопросы об использования данных малоугловой рентгеновской дифракции на мышечных волокнах для изучения деформаций белковых компонент саркомеров мышц, таких как кручения и растяжения актиновых нитей [4, 7] или сдвиговые деформации, обусловленные потерей устойчивости симметричной конфигурации сар-комера при закритических нагрузках [8].

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты №№ 08-04-01111-а, 08-04-01085-а, 11-04-00908-а), Медицинского исследовательского совета (MRC) Великобритании, Европейского источника синхротронного излучения (ESRF).

Список литературы

1. Bershitsky S.Y., Ferenczi M.A., Koubassova N.A., Tsaturyan A.K. // Front. Biosc. 2009. V 14. P 3188-3213.

2. Koubsssova N.A., Tsaturyan A.K. // Biophys. J. 2002. V. 83. P. 1082-1097.

3. Koubsssova N.A., Bershitsky S.Y, Ferenczi M.A., Tsaturyan A.K. // Biophys. J. 2008. V. 95. P. 2880-2894.

4. Tsaturyan A.K., Koubassova N., Ferenczi M.A. et al. // Biophys. J. 2005. V. 88. P. 1902-1910.

5. Reconditi M., Koubassova N., Linari M. et al. // Biophys. J. 2003. V. P 1098-1110.

6. Кубасова Н.А. и др. // Молек. биол. 2009. Т. 43. Т. 43. С. 689-699.

7. Метальникова Н.А., Цатуpян А.К. // Биофизика. Т. 55. С. 892-898.

8. Shabarchin A.A., Tsaturyan A.K. // Biomech Model Mechanobiol. 2010. V. 9. P. 163-175.

X-RAY DIFFRACTION STUDY OF NANOMECHANICS OF MUSCLE CONTRACTION A.K. Tsaturyan, N.A. Koubassova, S. Y. Bershitsky, M.A. Ferenczi

Some results of experimental study of structural changes in contracting muscle fibres in response to various mechanical, chemical and thermal perturbations are described. The experiments were performed on beamline ID02 at the European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble, France). We simultaneously recorded a 2D x-ray diffraction pattern with the time resolution of up to 1 ms and macroscopic mechanical characteristics, tension and strain, upon various step perturbations. To analyze and quantitatively interpret the experimental data, we used a direct modeling approach based on available atomic structures of contractile proteins and a parameterization method named the «principle of minimum of elastic distortion energy».

Keywords: muscle, tension, x-ray diffraction, modeling.