Белок, который ходит

Нобелевская премия, говорите? За молекулярное устройство, которое перемещается по плоской поверхности? Одноклеточные организмы тихо посмеиваются, крутя жгутиками, покачивая ресничками и ложноножками. Да и каждый из нас, многоклеточных, — такая сложная машина, сделанная из машин, сделанных из еще меньших, но все еще сложных машинок, какая Декарту не могла присниться. Молекулярные моторы (это не метафора, а официальный термин) отвечают за транспорт ионов через мембрану, транспорт пузырьков­везикул, органелл и хромосом внутри клетки, шевеления тех же ресничек и мышечные сокращения. Одни осуществляют движение по кругу (утверждение, что «природа не изобрела колеса», неверно: вращающихся наноколесиков у природы хватает), другие — линейное, туда и обратно. А третьи практикуют бипедальное движение. Кроме шуток, наши клетки густо населены двуногими шагающими наноботами.

Всем известна роль актин­миозинового комплекса в мышечном сокращении. Мышечные клетки заполнены миофибриллами, а те состоят из белковых нитей — филаментов, актиновых и миозиновых; еще иногда вспоминают эластичный белок титин, фиксирующий концы миозиновых филаментов. В клетках скелетной мускулатуры филаменты аккуратно уложены в саркомеры — группы сократительных единиц, имеющих одинаковую длину (почему под микроскопом и видна характерная для скелетных мышц поперечная полосатость).

Миозин похож на две клюшки для гольфа, ручки которых скручены в одну спираль, а головки цепляют актиновые филаменты и сдвигают их относительно миозиновых, тем самым сокращая мышцу. Каждая головка развивает усилия в считаные пиконьютоны, но в миозиновом филаменте сотни молекул миозина, в мышечном волокне много миофибрилл, а в мышце много волокон, так что суммарное усилие может быть значительным. Цикл повторяется, пока в цитоплазме есть ионы кальция и АТФ.

На электронной микрофотографии миофибриллы хорошо видны саркомеры, состоящие из актиновых и миозиновых филаментов. Реакцию, которая обеспечивает сокращение мышцы, можно разделить на четыре этапа. 1. Головка миозина связывает молекулу АТФ, при этом разрывается связь между актином и миозином. Теперь миозин может взаимодействовать с новой актиновой субъединицей — сделать «шаг» вдоль нити. (Это взаимодействие пройдет до конца лишь в том случае, если нервный импульс повысит концентрацию ионов кальция в мышечном волокне.) 2. Миозин гидролизует АТФ до АДФ и фосфата и прочно связывается с актином. 3. Фосфат высвобождается, головка миозина сгибается, актиновые филаменты перемещаются относительно миозиновых. 4. Миозин высвобождает АДФ, но сам останется прочно привязанным к актину до появления новой молекулы АТФ.

Но миозины присутствуют не только в мышечных волокнах: в семействе миозинов 18 классов. Мышечные миозины (класс II) перебирают лапками по актину, как гусеница по травинке. Миозин V и похож на римскую пятерку или букву «лямбда»: короткий хвостик и две головки, или, скорее, две ноги, широко шагающие по актиновой нити (длина шага целых 36 нм) — а эти нити пронизывают каждую клетку, образуя цитоскелет. К хвостику могут прицепляться везикулы, РНК, митохондрии, и миозин их тащит куда надо.

Сотрудники физического факультета токийского Университета Васэда в 2007 году приклеили к одной из «ног» миозина тубулиновую микротрубочку с флуоресцентной меткой, чтобы понаблюдать за прогулкой в реальном времени («Science», 2007, 316, 5828, 1208—1212, doi: 10.1126/science.1140468). С тех пор было сделано не одно подобное исследование, и ролики с анимированной реконструкцией гуляющих белков — не только миозина V, но и других, например кинезина, идущего по тубулину, — собирают сотни тысяч просмотров. Конечно, все понимают, что белок не наделен разумом и характером, что это просто биомашинка, но, глядя, как он шлепает вперед с апломбом и грацией диснеевского гнома, да еще тащит за собой огромный мешок везикулы, — невозможно не улыбнуться.

Прогулка миозина V по актиновой нити

Гуляющие белки в рисованных видеороликах так загребают ногами не смеха ради. Наиболее правдоподобные модели — именно те, где походка у них как у сильно пьяного или стукнутого по голове героя мультика. Когда та нога, что сзади, отрывается от актина, передняя наклоняется вперед под острым углом (на это расходуется энергия АТФ). А свободную ногу забрасывает вперед броуновское движение. Действием инерции и силы тяжести для белков в растворе можно пренебречь, а вот тепловое движение молекул учитывать необходимо. Оно и определяет изящество походки.

Автор этой заметки не стремится умалить заслуги лауреатов 2016 года. Если у кого­-то (тем более у самой эволюции!) результаты лучше наших, это не повод для огорчения, а новая цель. Кто знает, может быть, моторчик и машинка Бена Феринги — лишь первый шаг, а в конце пути — роботы, состоящие из маленьких механизмов, такие же сложные, как мы сами.

Видеоролики с гуляющими белками

Миозин V (https://www.youtube.com/watch?v=KfEbuHCGIIo). Реальные видеокадры можно посмотреть в приложениях к статье «Video imaging of walking myosin V by high­speed atomic force microscopy» (Kodera et al, «Nature», 2010, 468, 7320, 72—76, doi:10.1038/nature09450).

Кинезин ( https://www.youtube.com/watch?v=y-uuk4Pr2i8 ).