Сложная физическая модель впервые обнаружена в мышцах позвоночных
Согласно новому исследованию, модель из физики может дать представление о различиях между медленными и быстрыми мышцами.
Электронная микрофотография мышцы лягушки показывает ориентацию нитей вверх и вниз. Предоставлено: Имперский колледж Лондона.
В физике геометрическая фрустрация — это явление, которое возникает, когда минимальное энергетическое (или наиболее желательное) состояние физической системы может быть достигнуто многими различными способами. Например, при упаковке молекул воды во льду существует множество различных механизмов водородных связей между молекулами, которые достигают конфигурации с минимальной энергией.
Это можно сравнить с попыткой рассадить гостей вокруг обеденного стола по наиболее выгодной схеме рассадки, учитывая дружеские отношения и тех, кто не ладит. Если существует более одного расположения, которое сводит к минимуму количество неприятных пар, обеденный стол называется «геометрически несостоятельным» (или, для краткости, «неудовлетворенным»). Гости разочарованы тем, что если они попытаются отойти от одного из этих оптимальных раскладов, то в лучшем случае окажутся ничуть не лучше.
Фрустрация — важная концепция в физике, которая привела к целому ряду разработок, таких как новые наноматериалы и электронные устройства. Теперь международная команда, включающая ученых из Империал и Кентерберийского университета в Новой Зеландии, впервые показала, что фрустрация также присутствует в родной биологической системе: мышцах позвоночных.
Доктор Прадип Лютер с медицинского факультета Империи сказал: «Это уникальное открытие на стыке физики и биологии, помогающее объяснить некоторые старые и интригующие наблюдения, сделанные на электронных микрофотографиях поперечных срезов мышц разные механические свойства разных видов мышечных волокон».
Исследование, опубликованное в Journal of the Royal Society Interface, показывает, что схема ориентации белковых филаментов во многих типах мышц позвоночных хорошо соответствует фундаментальной фрустрированной системе статистической физики.
Ведущий автор профессор Рик Миллейн сказал: «Это первый случай, когда геометрическая фрустрация наблюдается в естественной биологической системе, и это может дать ключевое представление о разнице между медленными и быстрыми утомляемыми мышцами».
О выводах
Мышца состоит из тысяч параллельных пучков мышечных волокон, и в каждом волокне есть тысячи сложно упорядоченных массивов сократительных белков актина и миозина. Именно взаимодействия и движения между нитями этих двух белков составляют молекулярную основу мышечного сокращения.
Миозиновые филаменты упаковываются вместе в треугольную матрицу, и миозиновые филаменты в матрице принимают одну из двух противоположных ориентаций, соответствующих двум различным ориентациям филамента вокруг своей оси. Паттерн этих «верхних» и «нижних» ориентаций миозиновых филаментов нерегулярен, но не полностью случайен.
Эта модель беспорядка, называемая сверхрешеткой миозина, была впервые обнаружена в 1980-х годах Прадипом Лютером и Джоном Сквайром из Imperial после анализа электронных микрофотографий поперечных сечений мышц. Они разработали набор эмпирических «правил», которые описывали расположение, однако до тех пор, пока недавно основа для этого уникального узора была неизвестна.
Более 30 лет спустя Рик Миллейн из Кентерберийского университета в Новой Зеландии заметил, что распределение ориентаций «вверх» и «вниз» можно сопоставить с моделью «треугольного антиферромагнетика Изинга» (TIA), фрустрированной системой из статистической физики. . Затем исследователи провели подробный количественный анализ пространственного распределения ориентаций нитей, наблюдаемых на электронных микрофотографиях, который подтвердил эквивалентность ТИА.
Модель предполагает, что соседние миозиновые филаменты одной и той же ориентации «отталкивают» друг друга, заставляя их располагаться так, чтобы филаменты противоположной ориентации были соседями в максимально возможной степени.
Это взаимодействие на треугольном массиве является источником разочарования: если две соседние нити имеют противоположную ориентацию, третья нить не знает, какую ориентацию принять. В аналогии с обеденным столом невозможно избежать всех неприятных соседей.
Сопоставление миозиновых филаментов с моделью TIA дает более глубокое понимание источника беспорядка миозинового массива и позволяет оценить количественные результаты, такие как энергетика соседних миозин-миозиновых взаимодействий.
Модель также может помочь более точно интерпретировать данные рентгеновской дифракции, что позволит улучшить визуализацию мышечной структуры.
Быстрые и медленные мышцы
Не все мышечные волокна демонстрируют эту неупорядоченную структуру сверхрешетки миозина. В некоторых мышцах все миозиновые филаменты имеют одинаковую ориентацию — образец, называемый простой решетчатой структурой.
Предыдущие исследования показывают, что медленные, устойчивые к утомлению мышцы часто связаны с простой решетчатой структурой, тогда как быстрые, утомляемые волокна чаще связаны с неупорядоченной сверхрешеткой. Это указывает на то, что тип решетки может влиять на механические свойства различных типов мышц.
Например, сверхрешетчатая структура может способствовать более эффективному совместному использованию участков связывания актина головками миозина, способствуя большей выработке силы быстрыми, утомляемыми волокнами.
Профессор Миллан подчеркнул: «Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить влияние различных решетчатых структур на актин-миозиновые взаимодействия и поведение мышц».
Кроме того, структура мышц различается у разных видов: простая решетчатая структура присутствует в мышцах костистых рыб, медленных мышцах акул и икроножных мышцах крыс.
Доктор Лютер также добавил: «Исследования неупорядоченных миозиновых массивов у более широкого круга видов могут помочь нам понять эволюцию структуры мышечной сверхрешетки».
