Glide filamentteori - Sliding filament theory
Den glidende filamentteorien forklarer mekanismen for muskelsammentrekning basert på muskelproteiner som glir forbi hverandre for å generere bevegelse. I følge glødetrådsteorien glir myosin (tykke) filamenter av muskelfibre forbi aktin (tynne) filamenter under muskelsammentrekning, mens de to filamentgruppene forblir på relativt konstant lengde.
Det ble uavhengig introdusert i 1954 av to forskningsteam, det ene bestående av Andrew F. Huxley og Rolf Niedergerke fra University of Cambridge , og det andre bestående av Hugh Huxley og Jean Hanson fra Massachusetts Institute of Technology . Den ble opprinnelig unnfanget av Hugh Huxley i 1953. Andrew Huxley og Niedergerke introduserte den som en "veldig attraktiv" hypotese.
Før 1950 -tallet var det flere konkurrerende teorier om muskelsammentrekning, inkludert elektrisk tiltrekning, proteinfolding og proteinmodifisering. Den nye teorien introduserte direkte et nytt konsept kalt cross-bridge theory (klassisk svingende cross-bridge, nå mest referert til som ( cross-bridge cycle ) som forklarer den molekylære mekanismen for glidende filament. Cross-bridge-teori sier at actin og myosin dannes et proteinkompleks (klassisk kalt actomyosin ) ved festing av myosinhode på aktinfilamentet, og derved danne en slags krysbro mellom de to filamentene. Glidefilteorien er en allment akseptert forklaring på mekanismen som ligger til grunn for muskelsammentrekning.
Historie
Tidlige arbeider
Det første muskelproteinet som ble oppdaget var myosin av en tysk forsker Willy Kühne , som ekstraherte og kalte det i 1864. I 1939 oppdaget et russisk ektemannsteam Vladimir Alexandrovich Engelhardt og Militsa Nikolaevna Lyubimova at myosin hadde en enzymatisk (kalt ATPase ) egenskap som kan sammenbrudd ATP for å frigjøre energi. Albert Szent-Györgyi , en ungarsk fysiolog, vendte fokus på muskelfysiologi etter å ha vunnet Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 1937 for sine arbeider om vitamin C og fumarsyre . Han demonstrerte i 1942 at ATP var energikilden for muskelsammentrekning. Han observerte faktisk at muskelfibre som inneholder myosin B forkortet i nærvær av ATP, men ikke med myosin A, opplevelsen som han senere beskrev som "kanskje det mest spennende øyeblikket i livet mitt." Med Brunó Ferenc Straub fant han snart ut at myosin B var forbundet med et annet protein, som de kalte aktin, mens myosin A ikke var det. Straub renset aktin i 1942, og Szent-Györgyi renset myosin A i 1943. Det ble tydelig at myosin B var en kombinasjon av myosin A og aktin, slik at myosin A beholdt det opprinnelige navnet, mens de omdøpte myosin B til actomyosin. På slutten av 1940-tallet hadde teamet til Szent-Györgyi postulert med bevis på at sammentrekning av actomyosin var ekvivalent med muskelsammentrekning som helhet. Men tanken var generelt motsatt, selv fra slike som nobelprisvinnere som Otto Fritz Meyerhof og Archibald Hill , som holdt seg til det rådende dogmet om at myosin var et strukturelt protein og ikke et funksjonelt enzym. I et av hans siste bidrag til muskelforskning demonstrerte imidlertid Szent-Györgyi at actomyosin drevet av ATP var grunnprinsippet for muskelsammentrekning.
Opprinnelse
Da Hugh Huxley tok doktorgraden ved University of Cambridge i 1952 om forskningen på muskelstrukturen, hadde Szent-Györgyi gjort karrieren til kreftforskning. Huxley dro til Francis O. Schmitts laboratorium ved Massachusetts Institute of Technology med et post-doktorgradsstipendium i september 1952, hvor han fikk selskap av en annen engelsk postdoktor Jean Hanson i januar 1953. Hanson hadde en doktorgrad i muskelstruktur fra King's College, London i 1951. Huxley hadde brukt røntgendiffraksjon for å spekulere i at muskelproteiner, spesielt myosin, danner strukturerte filamenter som gir opphav til sarkomer (et segment av muskelfibre). Hovedmålet deres var å bruke elektronmikroskopi til å studere detaljene i filamentene som aldri før. De oppdaget snart og bekreftet filamentkarakteren til muskelproteiner. Myosin og aktin danner overlappende filamenter, myosinfilamenter som hovedsakelig utgjør A -båndet (den mørke regionen til en sarkomer), mens aktinfilamenter krysser både A- og I (lette region) bånd. Huxley var den første som foreslo glidefilteorien i 1953 og uttalte:
"... [I] f det er postulert at strekking av muskelen skjer, ikke ved en forlengelse av filamentene, men ved en prosess der de to settene med filamenter glir [vektlegging lagt] forbi hverandre; strekkbarhet vil da bli hemmet hvis myosin og aktin er koblet sammen. "
Senere, i 1996, beklaget Huxley at han skulle ha inkludert Hanson i formuleringen av hans teori fordi den var basert på deres samarbeidsarbeid.
Andrew Huxley , som Alan Hodgkin beskrev som "trollmann med vitenskapelig apparat", hadde nettopp oppdaget mekanismen for nerveimpuls ( handlingspotensial ) overføring (som han og Hodgkin senere vant Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 1963) i 1949 ved å bruke sitt eget design av spenningsklemme , og lette etter en medarbeider som kunne dissekere muskelfibre ordentlig. Etter anbefaling fra en nær venn Robert Stämpfli, ble en tysk lege Rolf Niedergerke sammen med ham ved University of Cambridge i 1952. Da innså han at det konvensjonelt brukte fasekontrastmikroskopet ikke var egnet for fine strukturer av muskelfibre, og utviklet dermed sin eget interferensmikroskop . Mellom mars 1953 og januar 1954 utførte de forskningen sin. Huxley husket at den eneste personen som noen gang har tenkt på å glide filamenter før 1953 var Dorothy Hodgkin (senere vinner av Nobelprisen i kjemi i 1964 ). Sommeren 1953 tilbrakte han ved Marine Biological Laboratory i Woods Hole, Massachusetts, for å bruke elektronmikroskop der. Der møtte han Hugh Huxley og Hanson som han delte data og informasjon om verkene sine med. De skilte med en avtale om at de ville holde kontakten, og når målet deres er nådd, ville de publisere sammen, hvis de noen gang "nådde lignende konklusjoner".
Den glidende filamentteorien
Den glidende filamentteorien ble født fra to påfølgende artikler publisert 22. mai 1954 -utgaven av Nature under det felles temaet "Strukturelle endringer i muskler under sammentrekning". Selv om konklusjonene deres var fundamentalt like, var de underliggende eksperimentelle dataene og forslagene forskjellige.
Huxley-Niedergerke hypotese
Det første papiret, skrevet av Andrew Huxley og Rolf Niedergerke, har tittelen "Interferensmikroskopi av levende muskelfibre". Den var basert på deres studie av froskemuskler ved hjelp av interferensmikroskop, som Andrew Huxley utviklet for formålet. Ifølge dem:
- I -båndene består av aktinfilamenter, og A -båndene hovedsakelig av myosinfilamenter; og
- under sammentrekning beveger aktinfilamentene seg inn i A -båndene mellom myosinfilamentene.
Huxley-Hanson hypotese
Den andre artikkelen, av Hugh Huxley og Jean Hanson, har tittelen "Endringer i tverrstriper av muskler under sammentrekning og strekk og deres strukturelle tolkning". Det er mer forseggjort og var basert på deres studie av kaninmuskel ved bruk av fasekontrast og elektronmikroskoper. Ifølge dem:
- ryggraden i en muskelfiber er aktinfilamenter som strekker seg fra Z -linjen opp til den ene enden av H -sonen, hvor de er festet til en elastisk komponent som de kalte S -filament;
- myosinfilamenter strekker seg fra den ene enden av A -båndet gjennom H -sonen opp til den andre enden av A -båndet;
- myosinfilamenter forblir i relativt konstant lengde under muskelstrekk eller sammentrekning;
- hvis myosinfilamenter trekker seg utover lengden på A -båndet, bretter endene seg opp for å danne sammentrekningsbånd;
- myosin- og aktinfilamenter ligger side om side i A-båndet og i fravær av ATP danner de ikke tverrbindinger;
- under strekking øker bare I -båndene og H -sonen i lengde, mens A -båndene forblir de samme;
- under sammentrekning beveger aktinfilamenter seg inn i A -båndene og H -sonen fylles opp, I -båndene forkortes, Z -linjen kommer i kontakt med A -båndene; og
- den mulige drivkraften for sammentrekning er aktin-myosin-koblingene som er avhengige av ATP-hydrolyse av myosinet.
Mottak og konsekvenser
Til tross for sterke bevis fikk ikke glødetrådsteorien noen støtte i flere år fremover. Szent-Györgyi selv nektet å tro at myosinfilamenter var begrenset til den tykke filamenten (A band). FO Schmitt, hvis elektronmikroskop ga de beste dataene, var også skeptisk til de opprinnelige bildene. Det var også umiddelbare argumenter om organiseringen av filamentene, om de to settene (myosin og aktin) av filamenter bare var overlappende eller kontinuerlige. Det var bare med det nye elektronmikroskopet at Hugh Huxley bekreftet filamentenes overlappende natur i 1957. Det var også fra denne publikasjonen at eksistensen av aktin-myosin-kobling (nå kalt cross-bridge) tydelig ble vist. Men han tok ytterligere fem år på å komme med bevis på at kryssbroen var et dynamisk samspill mellom aktin og myosinfilamenter. Han oppnådde det faktiske molekylære arrangementet av filamentene ved hjelp av røntgenkrystallografi ved å slå seg sammen med Kenneth Holmes , som ble trent av Rosalind Franklin , i 1965. Det var først etter en konferanse i 1972 ved Cold Spring Harbor Laboratory , hvor teorien og dens bevis ble overveid, at det ble allment akseptert. På konferansen, som Koscak Maruyama senere husket, måtte Hanson svare på kritikken ved å rope: "Jeg vet at jeg ikke kan forklare mekanismen ennå, men glidningen er et faktum." De faktiske bevisene kom på begynnelsen av 1980 -tallet da det kunne demonstreres den faktiske glidebevegelsen ved hjelp av nye sofistikerte verktøy av forskjellige forskere.
Cross-bridge mekanisme
Med betydelig bevis foreslo Hugh Huxley formelt mekanismen for glidetråd og kalles på forskjellige måter svingende tverrbrosmodell, tverrbrosteori eller tverrbromodell. (Han foretrakk selv navnet "svingende crossbridge -modell", fordi, som han husket, "det [oppdagelsen] tross alt var 1960 -tallet".) Han publiserte sin teori i utgaven av Science 20. juni 1969 under tittelen " Mekanismen for muskelsammentrekning ". I følge hans teori oppstår glidning av filament ved syklisk festing og løsrivelse av myosin på aktinfilamenter. Sammentrekning oppstår når myosinet trekker aktinfilamentet mot midten av A -båndet, løsner fra aktin og skaper en kraft (slag) for å binde seg til det neste aktinmolekylet. Denne ideen ble senere bevist i detalj, og er mer hensiktsmessig kjent som kryss-brosyklusen .