Miozyna i aktyna

W jaki sposób miozyna i aktyna umożliwiają przekształcenie energii wiązań chemicznych w energię mechaniczną.

W tym filmiku chciałbym pokazać Wam,

w jaki sposób dwa białka mogą oddziaływać ze sobą

przy udziale ATP, żeby wywołać ruch.

Ten mechanizm wykorzystywany jest

nie tylko w komórkach mięśni, ale omówię go na tym właśnie przykładzie,

ponieważ będzie to jednocześnie pierwszy filmik o pracy mięśni.

Później wyjaśnię Wam, w jaki sposób impulsy nerwowe

wywołują ruch mięśni.

Zrobię to w oparciu o ten filmik.

Skopiowałem tutaj rysunki dwóch

białek z Wikipedii.

To jest miozyna,

konkretnie miozyna II,

ponieważ mamy tu dwie cząsteczki miozyny (właściwie dwa łańcuchy ciężkie

i cztery łańcuchy lekkie) splecione ze sobą w tę złożoną strukturę

białka o charakterze enzymatycznym (ATPaza).

Skąd ten charakter? Miozyna prowadzi do

rozpadu cząsteczki ATP na ADP i grupę fosforanową.

Dlatego możemy ją nazywać ATPazą.

Należy do jednej z podgrup ATPaz.

Tutaj mamy aktynę.

Pokażę Wam w tym filmiku, w jaki sposób

miozyna wykorzystuje ATP, żeby poruszać się po aktynie.

Możecie wyobrazić sobie aktynę jako linę, po której wspina się cząsteczka miozyny.

Ten proces jest źródłem energii mechanicznej i wywołuje ruch.

Zaraz to narysuję.

Narysuję to na cząsteczce aktyny.

Mamy tutaj jedną z główek miozyny.

Mam na myśli jedna z dwóch główek miozyny

na tym rysunku. Główki łączą się ze sobą,

a każda z nich jest skręcona.

To jest druga główka miozyny, skręcona nieco inaczej.

Zajmijmy się teraz tylko jedną

z główek miozyny.

Przyjmijmy, że jest w tej pozycji.

Zobaczymy, czy to dobrze narysuję.

Załóżmy, że zaczynamy z główką miozyny w takiej pozycji.

Tutaj mamy pozwijany ogon tego białka,

który przyłącza je do innych jednostek strukturalnych,

o których jeszcze powiem dokładniej. Na razie główka miozyny

jest w tej pozycji i nic się nie dzieje.

Teraz pojawia się cząsteczka ATP, która przyłącza się do główki miozyny,

czyli do białka enzymatycznego o charakterze ATPazy.

Narysuję trochę ATP.

Pojawia się ATP i przyłącza do tej główki miozyny.

Cząsteczka ATP nie jest taka duża

w porównaniu z białkiem, to tylko

schematyczny rysunek.

Kiedy ATP przyłączy się do właściwego miejsca

na główce tego białka enzymatycznego, główka odrywa się od aktyny.

Zapiszę to.

Cząsteczka ATP przyłącza się do główki miozyny,

co powoduje odłączenie się miozyny od aktyny.

To pierwszy etap procesu.

Zaczęliśmy z główką miozyny dotykająca do aktyny,

pojawiło się ATP i główka miozyny została uwolniona.

Następny etap - po pierwszym etapie - będzie wyglądał

mniej więcej tak - staram się narysować

miozynę w tym samym miejscu.

Po pierwszym etapie główka miozyny

położona jest w ten sposób.

Główka uwolniła się.

Zamaluje ją na biało.

Teraz wygląda w ten sposób. Cząsteczka ATP

jest ciągle przyłączona do główki.

Wiem, że to może być skomplikowane, kiedy rysuję jedną

rzecz na drugiej, ale mamy tutaj

przyłączone ATP.

Następny etap to hydroliza ATP. Reszta fosforanowa

zostaje odłączona.

Miozyna należy do ATPaz, więc hydroliza

jest tym, czym się zajmuje.

Zapiszę to.

Etap drugi - ATP rozpada się na ADP i resztę fosforanową.

Ta reakcja zapewnia energię, która umożliwia przejście

miozyny w rodzaj stanu wzbudzenia.

Narysuję drugi etap.

ATP ulega hydrolizie,

co prowadzi do uwolnienia energii.

ATP to w końcu waluta energetyczna

układów biologicznych. Zostaje uwolniona energia.

Zaznaczam to jako iskierkę albo wybuch,

ale możecie sobie wyobrazić, że ta energia zmienia strukturę --

energia skłania miozynę do przejścia w stan,

który umożliwi jej "kroczenie" po aktynie.

W etapie drugim dopisuję uwolniona energię.

Możemy powiedzieć, że ta energia "naciąga spust" miozyny,

wzbudza to białko enzymatyczne.

Możecie sobie wyobrazić, że dzięki tej energii miozyna naciąga się jak sprężyna.

Skręca ją do wysokoenergetycznej konformacji,

czyli struktury, kształtu białka.

Etap drugi -- reszta fosforanowa odłącza się

od cząsteczki ATP, powstaje cząsteczka ADP,

a reszta fosforanowa ciągle przyłączona jest do główki miozyny.

Powstaje ADP i uwalnia się energia, która

zmienia konformację, czyli przestrzenna strukturę białka,

które zajmuje taką pozycję.

W ten sposób wyglądało to na końcu drugiego etapu.

Postaram się narysować to poprawnie.

Na końcu drugiego etapu

mogło to wyglądać tak.

Staram się, jak mogę.

Na końcu drugiego etapu, miozyna

wyglądała w ten sposób.

To jej naciągnięta pozycja.

Miozyna ma teraz dużo energii.

Jest naciągnięta w tej pozycji

i ciągle ma przyłączoną cząsteczkę ADP.

Tutaj mamy naszą adenozynę

z przyłączonymi dwiema resztami fosforanowymi, czyli ADP.

Mamy też ciągle wolną resztę fosforanową.

Kiedy ta reszta fosforanowa uwalnia się --zapiszę to

jako etap trzeci.

Kiedy zaczynaliśmy, to główka miozyny siedziała tutaj.

W pierwszym etapie do główki wiąże się ATP -- właściwie

pod koniec pierwszego etapu. To powoduje uwolnienie

główki miozyny.

Potem mamy drugi etap,

podczas którego ATP hydrolizuje na ADP i resztę fosforanową.

To powoduje uwolnienie energii, która pozwala

na zmianę konformacji miozyny i prowadzi do

jej naciągnięcia i przyłączenia do kolejnego

szczebelka filamentu (włókna) aktynowego.

Teraz miozyna ma wysokoenergetyczną konformację.

Zapiszę to.

W etapie trzecim reszta fosforanowa odłącza się.

Odłącza się od miozyny.

Reszta fosforanowa odłącza się od główki miozyny.

To etap trzeci.

Reszta fosforanowa zostaje odłączona.

A to powoduje uwolnienie energii naciągniętej główki

miozyny, która popycha

włókno aktyny.

To trochę jak praca tłoków w silniku.

To właśnie zmiana położenia główki miozyny powoduje ruch.

Kiedy reszta fosforanowa odłącza się od główki miozyny --

wcześniej odłącza się

podczas hydrolizy ATP, co wyzwala energię

i naciąga główkę miozyny.

Kiedy reszta fosforanowa odłącza się od główki miozyny, naciągnięcie puszcza.

Naciągnięcie puszcza.

Wracająca do poprzedniej pozycji główka miozyny popycha włókno aktyny.

Popycha włókno aktyny.

Analogicznie do tłoków w silniku.

W ten sposób powstaje energia mechaniczna.

Zależnie od tego, które z białek uważamy za nieruchome --

jeśli aktyna pozostaje nieruchoma, to miozyna i wszystko, co jest do niej przyłączone,

porusza się po aktynie w lewo.

Jeśli to miozyna jest nieruchoma, to aktyna i wszystko,

co jest z nią związane, będzie poruszać się

w prawo.

To właśnie podstawa

skurczu mięśni.

W etapie czwartym dochodzi do uwolnienia ADP.

Odłączenie ADP.

Główka miozyny jest teraz w takiej pozycji jak na początku etapu pierwszego,

ale przesunęła się o jeden szczebelek w lewo wzdłuż

filamentu aktyny.

Według mnie to zdumiewające.

Możemy zobaczyć w jaki sposób energia ATP jest wykorzystywana --

Widzimy przejście od energii chemicznej wiązań ATP

do energii mechanicznej.

Do energii mechanicznej.

Dla mnie to niezwykłe, bo kiedy pierwszy raz uczyłem się

o ATP -- mówiło się, że ATP jest wykorzystywane do wszystkich procesów

w komórce i do skurczu mięśni.

Ale jak przejść od energii wiązań chemicznych

do rzeczywistego kurczenia się mięśni? Do tego,

co obserwujemy codziennie jako energię mechaniczną?

Wszystko to dzieje się tutaj.

To jest właśnie proces, który tu zachodzi.

Zastanawiacie się pewnie, w jaki sposób miozyna

zmienia swój kształt?

Pamiętajcie, że białka mogą zmieniać swój kształt

w zależności od tego, jakie inne związki

są do nich przyłączone.

Niektóre struktury - konformacje białek- są bardziej energetyczne

niż inne, a ich energia może zostać uwolniona

i doprowadzić do przepchnięcia innego białka.

I to właśnie uważam za fascynujące.

Na podstawie zależności między aktyną i miozyną

będziemy mogli zrozumieć, jak pracują nasze mięśnie.