Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции - Ник Лейн

Во время войны Хью Хаксли занимался конструированием радаров. Демобилизовавшись, он вернулся на учебу в Кембридж. Как и многие физики того поколения, Хаксли, узнав об ужасных возможностях атомного оружия, решил оставить физику и заняться чем-то не столь пугающим и не столь спорным в моральном плане. Это стало потерей для физики, но большим приобретением для биологии. В 1948 году Хаксли вошел в состав маленькой исследовательской группы Перуца. С удивлением узнав, как мало известно биологам о строении и работе мышц, он посвятил всю свою оставшуюся жизнь заполнению этого пробела. Поначалу он, как некогда Гальвани, работал с мышцами ног лягушек, но первые полученные им результаты принесли разочарование. Рентгенограммы мышечных волокон, добытых из содержавшихся в лаборатории лягушек, оказались слишком нечеткими. Однако вскоре Хаксли обнаружил, что с дикими лягушками результат получается гораздо лучше. В итоге ему не раз пришлось по утрам, еще до завтрака, ездить на велосипеде по холодку на болото за лягушками. Дикие лягушки позволили ему получить гораздо более подробные рентгенограммы, которые, тем не менее, можно было интерпретировать по-разному. По иронии судьбы в 1952 году, сдавая экзамен на получение докторской степени, Хаксли познакомился с Дороти Ходжкин - выдающимся кристаллографом и одним из первых специалистов по рентгеноструктурному анализу. Прочитав диссертацию Хаксли, она сразу решила, что полученные результаты могут указывать на скользящие нити, и стала увлеченно обсуждать эту идею с Фрэнсисом Криком, с которым столкнулась на лестнице. Но Хаксли со свойственной юности воинственностью принялся доказывать, что она недостаточно внимательно прочитала раздел его диссертации, посвященный методам, и что полученные им данные не подтверждают ее предположений. Однако два года спустя, с помощью электронно-микроскопических изображений, ему удалось самому прийти к похожим выводам, на этот раз действительно получившим убедительное экспериментальное подтверждение.

Но хотя Хаксли и отказался делать преждевременные выводы, отодвинув на два года свое открытие скользящих нитей, он довольно рано уверился в том, что разобраться в молекулярных подробностях механизма сокращения мышц ему позволит рентгеноструктурный анализ в сочетании с электронной микроскопией. Оба метода были несовершенны. Вот что писал об этом сам Хаксли: “Электронная микроскопия давала изображения вполне отчетливые, но содержавшие всевозможные артефакты, в то время как дифракция рентгеновских лучей давала настоящие данные, но в загадочной форме”. Замечательным было то, что, как понял Хаксли, первый метод позволял преодолеть недостатки второго, а второй - недостатки первого, Отчасти успех Хаксли объяснялся удачей, потому что в то время никто еще не мог предвидеть замечательных достижений второй половины столетия - особенно в области рентгеноструктурного анализа. Главную трудность здесь составляла сила луча. Чтобы получить информативную рентгенограмму той или иной структуры, отражающую рассеивание (дифракцию) проходящих сквозь нее рентгеновских лучей, таких лучей должно быть очень много. А на это требуется время (в 50-х годах, когда Хаксли и другим исследователям приходилось работать по ночам, охлаждая слабые рентгеновские аппараты, на это уходил не один час, а иногда не один день) либо исключительно сильный источник, позволяющий сразу получать мощный поток рентгеновских лучей. Работа биологов, как это часто бывало, зависела от достижений физики, особенно от разработок синхротронов - огромных кольцевых ускорителей субатомных частиц, в которых синхронизированные магнитное и электрическое поля используются для ускорения до астрономических скоростей и столкновения друг с другом протонов или электронов. Для биологов синхротрон ценен именно тем эффектом, который у физиков вызывает досаду. Когда субатомные частицы носятся в синхротроне по кругу, они испускают электромагнитное излучение (“синхротронный свет”), значительная доля которого приходится на диапазон рентгеновских лучей. Эти потрясающе мощные лучи позволяют за ничтожные доли секунды получать дифракционные картины, на получение которых в 50-х годах обычно уходило несколько часов или дней. А это имело принципиальное значение, потому что молекулярные механизмы, обеспечивающие сокращение мышц, срабатывают за сотые доли секунды. Поэтому исследовать изменения, происходящие в молекулярной структуре мышечных волокон во время их сокращения, имело смысл только с помощью синхротронного света.

Когда Хаксли впервые сформулировал свою концепцию скользящих нитей, она была еще только гипотезой, основанной на довольно невнятных данных. Однако с тех пор, благодаря усовершенствованию тех же методов, которые теперь позволяют за доли секунды получать картины с атомарным разрешением, Хаксли и другим исследователям удалось доказать справедливость многих его предположений о точном молекулярном механизме мышечных сокращений. Там, где ученые викторианской эпохи могли наблюдать лишь довольно грубые микроскопические структуры, Хаксли удалось разглядеть тонкие молекулярные подробности и постулировать вероятный механизм. Теперь, хотя кое-какие неясности еще остаются, мы знаем, как именно сокращаются мышцы, с точностью почти до отдельных атомов.

Сокращение мышц обусловлено свойствами двух веществ: актина и миозина. Оба они представлены многочисленными одинаковыми белковыми субъединицами, образующими длинные нити (полимеры). Толстые нити состоят из миозина, названного так еще в викторианскую эпоху, тонкие - из актина. Нити этих двух типов, толстые и тонкие, идут параллельно друг другу в пучках, где они соединены перпендикулярными мостиками (которые в 50-х годах Хаксли первым увидел в электронный микроскоп). Эти мостики не остаются неподвижными, а совершают взмахи - и с каждым взмахом немного сдвигают актиновые нити относительно миозиновых, как викинги, гребущие на своей ладье, подгоняя ее бег по волнам. Причем сходство с ладьей этим не ограничивается: взмахи весел здесь тоже не упорядочены и не подчиняются единому ритму. В электронный микроскоп можно увидеть, что из многих тысяч мостиков меньше половины движутся в унисон, а большинство “гребут” вразнобой. Однако расчеты показывают, что крошечные взмахи этих мостиков, даже машущих неслаженно, вместе дают достаточную силу, чтобы их работой полностью объяснялось сокращение мышц.

Все эти машущие мостики торчат из толстых нитей и входят в состав миозиновых субъединиц. По молекулярным меркам молекулы миозина огромны - они в восемь раз больше, чем белки средних размеров, например гемоглобин. Каждая молекула миозина похожа по форме на сперматозоид - точнее, на два сперматозоида, головки которых торчат рядом, а хвосты переплетены так, что не развести. Каждая толстая нить состоит из ступенчато расположенных молекул, переплетенных в ней, как волокна в канате. Из этого каната во все стороны равномерно торчат головки. Они-то и образуют машущие мостики, взаимодействующие с актиновыми нитями.

Миозиновые мостики работают так. Мостик связывается с актиновой нитью, а прикрепившись к ней, связывается с молекулой АТФ, которая обеспечивает весь процесс энергией. Сразу после этого мостик отделяется от актиновой нити. Теперь, освободившись, он совершает взмах (вокруг гибкого участка - “шейки”), описывая угол около 70°, а затем вновь связывается с актиновой нитью. Когда это происходит, остатки использованной молекулы АТФ высвобождаются, и мостик упруго возвращается в исходное положение, при этом работая как рычаг и протягивая тонкую нить вдоль толстой. Весь цикл (отделение, взмах, связывание, протягивание) действительно аналогичен работе весла, и каждый его повтор продвигает тонкую нить вдоль толстой на несколько миллионных долей миллиметра. Молекула АТФ играет здесь ключевую роль. Без нее головка не может отделиться от актина и совершить взмах, и мышцы коченеют, как это и происходит, например, при трупном окоченении, возникающем из-за отсутствия притока АТФ. (Где-то через сутки после смерти трупное окоченение начинает ослабевать из-за разложения мышечной ткани.)

Акварельные рисунки Дэвида Гудселла, изображающие миозин. Слева: отдельная молекула миозина с двумя головками вверху, от которых отходят два сплетенных друг с другом хвоста. Справа: плотная миозиновая нить, образованная переплетенными, как волокна в канате, хвостами, из которой во все стороны торчат головки, взаимодействующие с актином.

Существует множество разновидностей миозиновых мостиков. Они в целом похожи друг на друга, но различаются скоростью работы. Вместе они составляют большое “надсемейство”, включающее тысячи членов. Лишь у людей имеется около сорока разновидностей таких мостиков. Скорость и сила мышечных сокращений зависят от скорости работы миозина: быстрые молекулы миозина быстро расщепляют молекулы АТФ и осуществляют цикл сокращения, медленные молекулы - медленно. В каждом организме есть мышцы нескольких типов, и каждому из них свойственны своя разновидность миозина и своя скорость сокращения4. Подобные различия отмечаются и между видами. Самые быстрые миозины - в летательных мышцах насекомых, таких как плодовая мушка дрозофила. Циклы их работы совершаются с частотой несколько сотен раз в секунду - почти на порядок выше, чем у большинства млекопитающих. У маленьких животных, как правило, более быстрые миозины, так что мышиные мышцы сокращаются примерно втрое быстрее, чем человеческие, а крысиные - вдвое быстрее. Самые медленные миозины работают в исключительно медлительных мышцах ленивцев и сухопутных черепах. Их миозины расщепляют АТФ со скоростью раз в двадцать медленнее, чем человеческие.