БИОФИЗИКА, 2008, том 53, вып.6, c.950-955
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА
УДК 577.3
СТРУКТУРА И ФУНКЦИЯ СУЩЕСТВЕННОЙ ЛЕГКОЙ
ЦЕПИ МИОЗИНА
© 2008 г. Д.С. Ушаков
Империал колледж, Лондон, SW72AZ, Великобритания E-m ail: d. ushakov@imperial. ac. uk Поступила в редакцию 26.06.08 г.
В обзоре суммированы последние данные по структуре и функциям существенной легкой цепи миозина. Известно, что существенная легкая цепь миозина стабилизирует рычаг. В соответствии с моделью сдвига динамической популяции конформаций подчеркнута конфор-мационная гибкость существенной легкой цепи миозина, что открывает путь к установлению ее новых функций. Обосновывается предположение, что взаимодействие между C-концевым доменом существенной легкой цепи и N-концевым субдоменом тяжелой цепи миозина может участвовать в сопряжении гидролиза АТФ и вращения рычага. Полученные недавно данные показывают, что изоформы существенной легкой цепи с дополнительным N-концевым пептидом способны взаимодействовать с актином и src-гомологичным 3-доменом миозина. Обсуждаются структурные аспекты этих взаимодействий и модуляторная роль изоформ существенной легкой цепи миозина.
Ключевые слова: миозин, существенная легкая цепь, мышечное сокращение.
Актомиозиновая система подвижности широко распространена в эукариотических клетках, при этом поперечно-полосатые мышцы обладают наиболее сложной структурной организацией. Миозин играет активную роль в этой системе. Миозин - фермент, гидролизующий АТФ, при этом он претерпевает конформаци-онные изменения, определяющие движение вдоль актиновых филаментов. Мышечный миозин II - это гексамер, состоящий из двух тяжелых цепей, каждая из которых связывает существенную и регуляторную легкие цепи (СЛЦ и РЛЦ соответственно). К-концевая часть тяжелой цепи содержит глобулярный, «моторный» домен, отвечающий за гидролиз АТФ и связывание с актином, тогда как большая часть тяжелых цепей образует суперспирализованную димерную структуру. Легкие цепи специфично связываются с длинной а-спиралью, так называемым рычагом или регуляторным доменом, выходящим из «моторного» домена [1]. Вращение рычага после гидролиза АТФ, происходящее вследствие конформационных изменений в моторном домене, приводит к генерации силы [2]. Было показано, что длина рычага определяет размер шага миозина [3], и считается, что
Сокращения: СЛЦ - существенная легкая цепь, РЛЦ -регуляторная легкая цепь, - субфрагмент 1 миозина, ЛЦ1 и ЛЦ3 - существенные легкие цепи 1 и 3, БН3 -Бгс-гомологичный 3-домен.
главной функцией легких цепей является стабилизация рычага [4].
Легкие цепи миозина - это небольшие белки массой около 20 кДа, принадлежащие к каль-модулиновому семейству. Каждая структура состоит из четырех пар повторов спираль-петля-спираль, называемых «ББ-руками» (рис. 1 [4-8]). Петли, как правило, содержащие 12 аминокислотных остатков, образуют структуру, отвечающую за связывание кальция. В миозине двустворчатого моллюска мотор активируется неканоническим связыванием кальция с существенной легкой цепью [9]. В слизевике подобное связывание приводит к ингибированию миозина [10], а в поперечно-полосатых мышцах связывание кальция с СЛЦ не имеет заметной функциональной значимости.
СВЯЗЫВАНИЕ СУЩЕСТВЕННОЙ ЛЕГКОЙ ЦЕПИ С ТЯЖЕЛОЙ ЦЕПЬЮ
Две пары «ББ-рук» существенной легкой цепи образуют К- и С-концевые полунезависимые домены, соединенные линкерной последовательностью. В большинстве регулируемых кальцием белков семейства «ББ-руки», апофор-ма приобретает «закрытую» конформацию с углами между парами ББ-рук около 130°. Связывание кальция приводит к открытой конфор-мации, где спирали находятся примерно под углом 90° друг к другу [11]. В последние годы
А 10 20 М 30 40 50 60 I 70 80
I ._I I I I I I !
1 АРККБУКК'?У ААААА^ *РАРА РАРАРАРАРА КРКЕЕКШЪБ АПС^ЕРБКЕд дБЕРКЕАРЬЪ РБКТОБЗКГГ ЬКдУОБУЬКА
2 АРККОУКК^ *АААААРАРА РАРАРАРАРА КРКЕЕКШЦЗ АКСЕ^ЖЕд дОЕРКЕАРЬЬ ТЛЖТСЮЗКГГ ЬвдУСЖУЬКА
3 *РККРУККВ* ^ААААА РАРА РАРАРАРАРА КРКЕРАЮЬК 81К1ЕР8КЕд дБПРКЕАРРЬ РРЖТСОАКГГ ЬЯдУСВ 1УКА
4 СОЕЯЕЕд ТАЕРКЕАрдЬ ГОКТОГ) <Ж1Ь УК дсовумкА
5 КР8.АГ>д 1А<_________________________________________________ ______________________]
90 100 II 110 120 130 140 III 150 160
I_I_I_I I_I I I
1 ьсшртаАЁУ акУ1,(;хР8\1{ еь хаккшн-: дргр.ммдлк яхкпултгш) рун с ¡цкуршсёШстумоаё ШтЗшхш
2 ЬОТОРТЫАЕУ ККУЬСЫРЗШ ЕМХАККШЕЕ дрЬРМЬдАЕЗ ХЖВдаТУЕОР\тЕОЬКУР1)КЕОХСТУМО.ЛЕЬКНУЬАТШЕ
3 ЬСдОТТОАВИ Ж IЬОЮТЗКЕ ЕМХАКК1ТРЕ ЕРЬРМЬдААА МЖБдСТРЕВ ЕУЕСТДУИЖ ЕОХОТУМОАЕ 1ЛНУШТЬаЕ
4 ЬОдХРТОАЕУ МКУЬСХРКЯБ ЕМХЬКТЬКРЕ дрЬРММдТГА КМШдаСБЕ!) УУЕСЬК\ТОКЕСЫОТУМОАЕ 1КНУ1>ШЗЕ
170 ГУ7 180 190
I I I
1 КМКЕЕЕУЕАЬ тЛОЕПЗШС ЩШШШ1
2 КМКЕЕЕУЕАР МАОдЕБВХОС ЩУЕАЕУКШМК1
3 КМТЕЕЕУЕЕЬ МКОдЕОЯХОС ВДУЕАРУКШШУ
4 КМТЗЕЕУЕдЬ УАСНЕБвКСС ШУЕЕЬУЬМУЬВа
Рис. 1. Последовательности ЛЦ1 быстрых скелетных мышц человека [5], кролика [6] и курицы [7] и СЛЦ гладких мышц курицы [8]. Также показан Ы-концевой фрагмент ЛЦ3 человека, остальная часть молекулы идентична изоформе ЛЦ1 [4]. Выделены основные структурные элементы: А - актинсвязывающий участок; М -БН3 - доменсвязывающий участок; I - IV - четыре участка ЕР-рук.
были опубликованы данные рентгено структурного анализа об атомных структурах миозина и регуляторного домена, содержащих существенную легкую цепь [1,12-17]. Было показано, что СЛЦ связывается с консервативным «^-мотивом» (IQXXXRGXXXR) длинной а-спирали тяжелой цепи [12,13]. Ы-концевой домен связывается с тяжелой цепью в закрытой конформации, при которой «ЕР-руки» находятся в тесном контакте. Однако С-концевой домен находится в стабильной полуоткрытой конфор-мации, обвивая тяжелую цепь и, таким образом, обеспечивая сильное связывание [1,12,13]. Предполагается, что в отсутствие тяжелой цепи как Ы-, так и С-концевой домен существенной легкой цепи находятся в закрытой конформации, а наблюдаемую разницу между стуктурами двух доменов можно объяснить отличиями в кон-формационной адаптируемости или гибкости [11].
Во всех структурах миозина II конформации существенной легкой цепи схожи, независимо от нуклеотида, находящегося в АТФазном центре, и биологического источника. Даже связывание кальция с N-концевым доменом СЛЦ двустворчатого моллюска [12] и слизевика [6] не приводит к образованию открытой конфор-мации - особенность, обычно не наблюдаемая среди других белков семейства «ЕР-рука» [11]. Предполагается, что определенный уровень гибкости существенной легкой цепи необходим для функционирования рычага миозина и что это могло бы объяснить механизм кальциевой
регуляции в двустворчатом моллюске и слизевике [10]. Это согласуется с ситуацией, наблюдаемой в кальмодулине, который, как считается, переходит из одной конформации в другую, при этом мигрируя между разными наборами квазисостояний, а не просто переключаясь из закрытой в открытую конформацию. При связывании кальция и других лигандов число возможных квазисостояний ограничивается [18], и/или их распределение сдвигается к новому динамическому равновесию [19,20], в соответствии с современной моделью динамических аллостерических процессов в белках [21]. Это также хорошо согласуется с наблюдением, что существенная легкая и тяжелая цепи находятся в равновесии между ассоцией и диссоцией при физиологических условиях [22]. Это свойство позднее было использовано для введения экзогенной СЛЦ в мышечные волокна [23]. Гибкость СЛЦ была также причиной ее слабого разрешения в структуре скелетно-мышечного
[1].
Многие белки семейства «ЕР-рука» содержат гораздо более высокий процент метионина, чем это было бы в среднем - 1,5% аминокислотных остатков [24]. Фактически, домены типа «ЕР-рука», способные, в соответствии со структурными исследованиями, к кальмодулин-по-добным конформационным изменениям, содержат в среднем 5,8% остатков метионина [11]. Это объясняется специфичными свойствами ме-тионина, которые придают ему гораздо большую гибкость, по сравнению с другими али-
Рис. 2. Сравнение интерфейса между СЛЦ и Ы-концевым субдоменом тяжелой цепи в высоко- и низкоэнергетических состояниях. Тяжелая цепь миозина и РЛЦ (в низкоэнергетической структуре) окрашены в серый цвет, СЛЦ окрашена в черный цвет. В низкоэнергетической структуре (слева, код PDB 2туБ [1]) интерфейс включает остатки 4 и 21-31 тяжелой цепи и Б-спираль СЛЦ. В высокоэнергетической структуре (справа, код PDB 1Ьг4 [14]) область взаимодействий становится больше.
фатическими остатками из-за длинной углеродно-серной связи, позволяющей более свободное вращение, чем углеродно-углеродная [11]. Анализ последовательности СЛЦ (рис. 1) показывает, что примерно 65 аминокислот С-конце-вого домена СЛЦ содержат четыре консервативных метионина (более 6%). Можно предположить, что метионины вносят решающий вклад в мобильность С-конца СЛЦ. Несмотря на очевидную важность остатков метионина, почти нет экспериментальных данных, показывающих их роль в функционировании существенной легкой цепи, за исключением сообщения, что мутация Met149Val приводит к увеличению подвижности актина in vitro и к редкой наследственной кардиомиопатии [25].
ИНТЕРФЕЙС МЕЖДУ СУЩЕСТВЕННОЙ
ЛЕГКОЙ ЦЕПЬЮ И N-КОНЦЕВЫМ СУБДОМЕНОМ ТЯЖЕЛОЙ ЦЕПИ
Из рассмотрения первой опубликованной структуры S1 миозина следует возможность контактов между F-спиралью СЛЦ и N-концом тяжелой цепи (рис. 2) [1]. Эта структура не содержала нуклеотида в АТФазном центре и считается, что она аналогична близкому к ри-гору низкоэнергетическому состоянию, возникающему после вращения рычага. Из анализа
структуры S1 гладкомышечного миозина в высокоэнергетическом состоянии [14] следует значительное вращение рычага по отношению к моторному домену. Также видны большие изменения в интерфейсе между СЛЦ и N-конце-вым субдоменом тяжелой цепи. Из рис. 2 видно, что площадь интерфейса сильно возросла и включает со стороны СЛЦ спирали F и G, а также петли, соединяющие спирали E и F, и F и G. Со стороны тяжелой цепи, концевые остатки сдвинуты, и интерфейс включает три кластера остатков на расстоянии приблизительно равном 5 А от поверхности существенной легкой цепи: 142-148, 162-168 и 258-261 (рис. 3). Обе стороны содержат большое количество заряженных аминокислот, а
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.