ИСТИНА

Основополагающие экспериментальные работы в области исследования молекулярного механизма мышечного сокращения были выполнены на волокнах быстрых скелетных мышц. Для описания кинетики взаимодействия головок миозиновых молекул с актином и макроскопических механических свойств быстрых мышц были разработаны соответствующие математические модели. В то же время экспериментальных и теоретических знаний об особенностях функционирования медленных скелетных мышц недостаточно для построения полной модели, которая могла бы объяснить их наблюдаемые отличия. В ходе выполнения проекта будут измерены механические характеристики, в частности, напряжение, динамическая жёсткость и скорость укорочения активно сокращающихся медленных волокнах скелетной мышцы в широком интервале температур, включая физиологическую. Запланировано получение новых рентгено-дифракционных данных о структурных изменениях миозиновых головок во время силогенерации волокон медленных мышц. В результате анализа экспериментальных данных будет построена структурно-кинетическая модель рабочего цикла миозиновой головки в медленных мышцах. Такая модель, будучи разработанной и верифицированной результатами новых экспериментов, будет важна для понимания молекулярных основ функционально различного поведения быстрых и медленных скелетных мышц. Результатом выполнения проекта может стать универсальная структурно-кинетическая модель, описывающая молекулярные механизмы работы скелетных мышц.

Fundamental experimental studies of the molecular mechanism of muscle contraction were performed on the fibers of fast skeletal muscles. To describe the kinetics of the interaction of the heads of myosin molecules with actin and the macroscopic mechanical properties of fast muscles, appropriate mathematical models were developed. At the same time, experimental and theoretical knowledge about the features of the functioning of slow skeletal muscles is not enough to construct a complete model that could explain their observed differences. During the course of the project, mechanical characteristics, in particular, stress, dynamic stiffness and the rate of shortening of actively contracting slow fibers of skeletal muscle in a wide range of temperatures, including physiological, will be measured. It is planned to obtain new X-ray diffraction data on the structural changes in myosin heads during the force generation of slow muscle fibers. As a result of the analysis of the experimental data, a structural-kinetic model of the working cycle of the myosin head in slow muscles will be developed. Such a model, being developed and verified by the results of new experiments, will be important for understanding the molecular fundamentals of the functionally different behavior of fast and slow skeletal muscles. The project can result a general structural-kinetic model that describes the molecular mechanisms of the skeletal muscle.

Измерить кинетику изменения механических характеристик - напряжения и динамической жёсткости - в ответ на различные механические и температурные воздействия в активно сокращающихся медленных волокнах скелетной мышцы. Для количественного описания результатов собственных и опубликованных в литературе экспериментальных данных разработать и протестировать структурно-кинетическую модель рабочего цикла миозиновой головки в медленных мышечных волокнах. Важная информация о структурных изменениях, лежащих в основе генерации силы в медленных волокнах, была бы доступна в результате рентгено-дифракционных опытов на одиночных волокнах мышц кролика. Мы планируем подать заявку на Европейский синхротрон (ESRF) и, если такой проект будет поддержан, провести желаемые эксперименты.

Участники коллектива имеют многолетний успешный опыт теоретических и экспериментальных исследований мышечного волокна. Основную экспериментальную часть работы по исследованию сравнительных механических характеристик мышечных волокон из быстрых и медленных скелетных мышц, их температурной и кальциевой чувствительности планируется выполнить в лаборатории биологической подвижности в Институте иммунологии и физиологии УрО РАН. В этой лаборатории имеется современная лабораторная установка и необходимое оборудование для механических экспериментов с демебранизованными мышечными волокнами. В нашей группе были разработаны математические модели кинетики цикла актин-миозинового взаимодействия (Цатурян, Антипов, 1991; Шворина Е.Н., 2014; Syomin, Tsaturyan, 2017) и структурно-кинетическая модель двухстадийного механизма генерации силы молекулой миозина в мышце (Ferenczi et al., Structure, 2005). Для интерпретации рентгенодифракционных данных нами был разработан метод прямого математического моделирования (Koubassova, Tsaturyan, 2002; Koubassova et al., 2008). Участник проекта А.К. Цатурян является соавтором обнаружения двух принципиально важных эффектов: стереоспецифического взаимодействия молекулы миозина с актиновой нитью (Bershitsky et al., Nature, 1997), а также различий в температурной зависимости напряжения и жёсткости в активированном мышечном волокне (Bershitsky, Tsaturyan, J. Physiol., 1992, 2002), лёгших в основу этой модели. Руководитель проекта участвовала в работе международного коллектива, обнаружившего структурные изменения миозиновых головок в ответ на изменения длины мышцы, т.е. выявившего молекулярную природу динамической жёсткости сокращающейся мышцы (Dobbie et al., Nature, 1998) и характер изменения напряжения и динамической жёсткости быстрых интактных волокон скелетной мышцы (Piazzesi et al., J.Physiol., 2003).