Путешествие вглубь мышцы

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Когда Архимед потребовал точку опоры, чтобы перевернуть мир, он не проявил излишней самоуверенности, просто он был уверен в себе: не говоря о рычаге, у него видимо были довольно крепкие мускулы. И право же, Архимед не ошибался. Сам того не ведая, он первым оценил истинной мерой не только сказочную силу рычага, но и великую мощь, заложенную в мышце. Ведь что ни говори, рычаги рычагами, а силу ко всякому делу приложить тоже надо. И порой немалую. Откуда же берется в ней эта стремительность стальной пружины и мощь, способная затмить все технические чудеса нашего века?

Мышца — двигатель особого рода. Ее не сравнишь ни с паровым котлом, ни с дизелем, ничего турбореактивного в ней тоже при всем желании не найти. И все же мышцей ратной и трудолюбивой поныне силен человек. Даже рядом с атомным реактором не меркнет ее слава. И не потому только, что все на Земле сделано ею — мышца сама по себе работает не хуже любого мотора. А устроена она, пожалуй, намного экономнее и прочнее. Мышечная механика куда совершеннее всех паровиков и турбин. Знай мы ее получше, многим железным «чемпионам» наверняка пришлось бы потесниться.

Я не сомневаюсь, что машина, построенная по образцу мышцы, этакий стальной мускул, со временем станет одним из самых мощных двигателей в промышленности, на транспорте и даже дома. Ну, кому они нужны будут эти стиральные агрегаты и пудовые «полотеры», если появятся легкие, сильные, сноровистые «руки» и «ноги»?

Но дело не только в технических новшествах. Изучение мышцы обещает нам нечто большее, чем может дать самый могучий и совершенный механизм — здоровье, порой жизнь. Да, без преувеличения: жизнь. Ибо и поныне более половины людей на земле гибнет оттого, что сердечная мышца обрывает свой неустанный, истинно египетский труд. Где добыть искру, способную с новой силой возжечь пламень угасающей жизни? В сердце. Это не метафора. Только в глубинах сердечной мышцы можно отыскать ключ к ее спасению. Но проникнуть в них, пожалуй, труднее, чем достигнуть дна морского. Мышечное движение, простое и естественное, как улыбка, вздох, рукопожатие, на поверку оказалось на редкость загадочным.

Подвластное малейшей прихоти человека, оно упорно скрывает от него свою тонкую механику. А между тем раскрыть ее — это и значит взять в руки управление одной из важнейших систем человеческого тела. Потому так внимательно вглядываются в мышечное волоконце анатом и физиолог, биохимик и биофизик. Они хотят понять, что же происходит в его недрах в момент сокращения. В самом деле — что?

ЧУДО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ТЕХНИКИ

Как ни странно, сокращаясь, мышца вовсе не сокращается: длина ее тончайших сверхмикроскопических волоконец остается неизменной. Но короче она все-таки становится. Это знает всякий, кто видел, как дрыгает лягушачья лапка, когда через нее пропускают ток. Без укорачивания не было б движения. Как же так: мышечные волоконца не сокращаются, а вся мышца укорачивается? Да, в мышце заложен довольно интересный механизм, в нем стоит покопаться.

Заглянуть в него удалось сравнительно недавно, когда электронный микроскоп открыл перед исследователями фантастический мир белковых молекул. С тех пор мышечная механика стала понемногу проясняться. От электрона она уже не могла уберечь своих тайн. Так последуем за ним в неведомую молекулярную глубь мышцы. Но прежде, чем отправиться за нашим прозорливым «поводырем», взглянем на мышцу через обычный световой микроскоп. Вот ее первые составные части — сотни тонких, плотно пригнанных друг к другу волокон. Исчерченные поперечными полосами, все вместе они похожи на распластанную шкуру тигра.

От частых полос даже в глазах рябит. Но если всмотреться, у этой «шкуры» есть и ворсинки: она состоит из великого множества еще более тонких волоконец — миофибрилл. Так в светлом круге микроскопа выглядят самые крупные блоки мышечной архитектуры. Мышца собрана из волокон, а каждое мышечное волокно — это пучок вытянутых миофибрилл. Словом, при обычном увеличении мышца выглядит, как многожильный канат. Вот, пожалуй, пока и все. Глубже глаз не берет, там начинается загадочный мир сверхтонких структур. А к ним без электронного микроскопа не проникнешь.

Зато в его окошке иная картина. Она напоминает вид на старое поле с птичьего полета. Чередование ярких и темных линий, света и тени сменилось сплошной чересполосицей. Мышца словно поделила свои угодья на сотни маленьких участков. И в каждом из них биологи обнаружили совершенно новые детали — тончайшие нити мышечных белков, что называется последний винтик этой сложной живой механики. Его-то им как раз и не хватало, чтобы подкрепить одну очень интересную догадку о природе мышечного сокращения.

Английскому микроскописту Хаксли, проведшему немало часов за изучением мышцы, пришла как-то в голову занимательная мысль: представить каждую миофибриллу чем-то вроде длинного ящика, битком набитого маленькими ружьями. Зарядил он их — разумеется, тоже мысленно — стрелами. В каждое дуло по стреле. Прикладу в этой истории не отведено никакой роли: действуют только ствол и заряд — «прототипы» каких-то сверхмикроскопических подразделений миофибриллы, о которых ученый тогда лишь смутно догадывался. Что же происходит в этом «ящике» в миг сокращения? Вы уже, наверно, догадались: залп из всех стволов! Ан нет, дорогой читателе, не залп, а наоборот — зарядка: стрелы быстро скользят в дула. И погружаясь,— заметьте, это важно, — как бы укорачиваются. Почему как бы? А потому, что на самом деле ни одна стрела, конечно, длины не меняет, но, уходя в ствол, каждая становится вроде бы короче. Ну, как шея, втянутая в плечи.

Вот вам и укороченье без сокращения! А теперь представьте, что в тоненькой миофибрилле одновременно работают сотни таких слаженных механизмов. И делают все по команде, размеренно, четко. Хитро задумано, не правда ли? И в общем-то, как выяснилось теперь, довольно правдоподобно. Однако вернемся к живой плоти: сравненья сравненьями, но в мышце, насколько мне известно, никто до сих пор оружейных складов не обнаружил. Зато венгерские ученые Ференц Штрауб и Альберт Сент-Дьердьи нашли в ней два белка — актин и миозин. Молекулы актина круглы и подвижны, словно шарики ртути. Стоит добавить к ним немного калиевой соли, они мгновенно образуют короткие цепочки, которые тут же сцепляются в одну тонкую и длинную нить.

Такие нити струнами натянуты в каждой миофибрилле. Их в ней очень много. Тесно прижавшись друг к другу, они как бы этажами смыкают свои короткие звенья. В электронном микроскопе удалось увидеть ровные поперечные рады, пересекающие прямые продольные линии. Мышца расчерчена ими как тетрадный лист. Они-то и перечеркнули все прежние представления о ней. Живая плоть по своему строению оказалась очень похожей на кристалл.

В этой изящной молекулярной постройке природа использовала и другой белок — миозин. Он не столь тонок, как его напарник, но и ему нашлось рабочее место в миофибрилле. Миозиновые тяжи пролегли здесь строго между актиновыми нитями, словно расчесав их кудель на тончайшие волокна. Как шнурок из двух сортов ниток — шелковых и суровых,— сработана миофибрилла из цепочек актина и миозина. Эти белки и оказались в конечном счете главным мышечным двигателем.

У них много разных свойств, но одним природа их обделила: ни актин, ни миозин сами по себе не могут сократиться. Зато объединившись по-соседски в актомиозин, они вдруг обретают удивительную способность к быстрому, почти молниеносному укорочению. Альберт Сент-Дьердьи как-то признался, что самым волнующим в его научной карьере был момент, когда он увидел, как сокращается актомиозин.

Хаксли сразу же ухватился за эти чередующиеся белковые ниточки. В них он и признал живое воплощение своей догадки. Ведь нити актина — это и есть те «стрелы», которыми он заряжал свои воображаемые ружья, а миозиновые тяжи между ними, видимо, играют роль ружейных стволов. В миг сокращения актиновая нить скользит вдоль тяжей, как по накатанной лыжне. Однако все это было лишь догадкой, нужны были достоверные факты.

Теперь судите сами, каковы были изумление и радость ученого, когда на электронных фотографиях мышцы он четко различил два равномерно чередовавшихся типа нитей. Электронный микроскоп дал прочную опору его «скользкой» гипотезе. Она буквально повисла на этих новонайденных белковых нитях. И стала ныне одной из наиболее достоверных теорий мышечного сокращения.

Так вот, оказывается, в чем секрет. Не скручивание белковых молекул в спираль и не складывание их наподобие аршина, как долго полагали ученые, а обыкновенное скольжение лежит в основе мышечной механики. Актиновая нить, словно санный полоз, въезжает между тяжами миозина. Вклиниваясь вглубь тяжей, она укорачивается. Все это должно происходить почти мгновенно, иначе как объяснить резкий бросок вратаря, стремительность птичьего старта, сотни взмахов в секунду крылышек иной букашки.

Да, ничего не скажешь, механизм отработан природой четко! Но, к сожалению, не так еще четко разобрались в нем биологи. Ведь любой двигатель, как бы он ни был совершенен, и винтиком не пошевелит без горючего. Подавай ему уголь, бензин, электроэнергию, наконец, расщепленный атом. Ну а мышца чем хуже? Откуда она черпает свою неустанную силу, где кладезь ее энергии, словом, что происходит в мускульной топке в миг наивысшего напряжения?

ПЛАМЕНЬ ЖИЗНИ

Простой и красивый опыт поставил как то все тот же венгерский биолог Сент-Дьердьи. Он спросил себя: что движет мышцей? И вместо ответа начисто уничтожил в ней даже малейший намек на активное движение. Тщательно вымочив и заморозив полоску кроличьей мышцы, он лишил ее способности самостоятельно сокращаться. Живая машина застопорилась. Вялая, безучастная ко всяким раздражениям, она мертво лежала на столике. Вот теперь-то можно было начать поиски топлива, которое приводит ее в движение.

Осторожно, точно боясь спугнуть самого себя, опустил ученый мышечную полоску в раствор калиевой соли. Немного подождал, потом добавил магния. И, наконец, капнул из пипетки всего-навсего одну каплю светлой жидкости. В тот же миг мышца ожила! Она сократилась так сильно и стремительно, что легко могла бы поднять груз в тысячу раз тяжелее собственного веса. Рекордная цифра! Сам кролик не выжал бы из нее большего. Но вы, конечно, хотите знать: что это за волшебная капелька, вдохнувшая в мышцу такую энергию?

Аденозинтрифосфорная кислота, короче — АТФ. Всего три буквы, а прозвучали они в биологии весомей многих слов: за ними — большое открытие. АТФ — копилка живой энергии. Каждая входящая в нее частица фосфора (всего их три), вносит свой маленький энергетический вклад. Вместе они накапливают впрок довольно солидный заряд. В тот миг, когда мышца получает сверху приказ «сокращаться!», этот необычный аккумулятор щедро отдает ей весь запас энергии. Тотчас мышечный двигатель приходит в действие. Но АТФ при этом разрушается. Таково уж ее назначение: распадаясь, освобождать энергию. Куда же низвергается этот энергетический «водопад», какие механизмы запускает он в мышце?

С таким магическим веществом, как АТФ, биологи могли уж понемногу «прощупать» детали помельче, например мышечное волоконце — миофибриллу. Она не заставила себя долго упрашивать, живо сократилась. Но и это еще не было последним пределом. Когда венгерский исследователь, волнуясь, следил за укорочением актомиозиновой нити, АТФ и ей исправно поставляла энергию. Вот, подумал ученый, еще одно доказательство, что белковая ниточка — самая маленькая модель наипростейшей сократимой системы: миофибриллы.

Так постепенно биологи разбирали механику мышц. А энергетика давалась им труднее. Не так-то легко проследить переход химической энергии в движение, да еще в молекулах живого организма. Однако кое-что ученым удалось выяснить.

Чтобы отдать свои энергетические запасы, АТФ вступает в связь с мышечными белками, точнее, с одним из них — миозином. Как это происходит — неизвестно. Объединяются ли они во временное химическое содружество, перебрасывают ли, словно жонглеры, заряженные частицы — ионы, пока не знает никто, но факт таков: АТФ передает свой заряд миозину. И что особенно интересно — он сам заставляет сделать себе такой ценный подарок.

Это свойство обнаружил у миозина русский ученый, академик Владимир Александрович Энгельгардт. Он открыл в мышце пусковое устройство энергетической реакции. Им оказалось — что бы вы думали? — само мышечное волоконце: миофибрилла. Эта труженица не только работает без устали, но и добывает себе пропитание. Понуждает АТФ к распаду ее собственный белок — миозин. Он всегда — словно на спусковом курке этой сложной, вероятно, многоступенчатой реакции.

Автор: А. Шварц.