Теория скользящей нити

Ссылки [ править ]

1. Silverthorn Ди Unglaub (2016). «Мышцы». Физиология человека: комплексный подход (7-е изд.). Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон. С. 377–416. ISBN 978-0-321-98122-6.
2. ^ Хаксли, Хью Э. (2004). «Пятьдесят лет мышцы и гипотеза скользящей нити». Европейский журнал биохимии . 271 (8): 1403–1415. DOI . PMID .
3. ^ Андерсен, О.С. (2004). . Журнал общей физиологии . 123 (6): 629. DOI . PMC .
4. ^ Хаксли, AF; Нидергерке Р. (1954). «Интерференционная микроскопия живых мышечных волокон». Природа . 173 (4412): 971–973. Bibcode . DOI . PMID . S2CID .
5. ↑ Rall, Jack A. (2014). . Нью-Йорк: Springer Science + Business Media. С. 21–23. DOI . ISBN 978-1-4939-2006-8. S2CID   .
6. ↑ Wood, AW (2012). «Биофизика скелетных мышц». . Тейлор и Фрэнсис. С. 158–162. ISBN 978-1-46-655279-1.
7. Хартман, Массачусетс; Спудич, Я. (2012). . Журнал клеточной науки . 125 (7): 1627–1632. DOI . PMC . PMID .
8. Энгельхартд, Вашингтон; Любимова М.Н. (1939). «Миозин и аденозинтрифосфатаза». Природа . 144 (3650): 668–669. Bibcode . DOI . S2CID .
9. Сент-Дьёрдьи, Альберт (1963). . Ежегодный обзор биохимии . 32 (1): 1–15. DOI . PMID .
10. Сент- Дьердьи, AG (2004). . Журнал общей физиологии . 123 (6): 631–641. DOI . PMC . PMID .
11. Сент-Дьёрдьи, A (1949). «Отношения свободной энергии и сокращение актомиозина». Биологический бюллетень . 96 (2): 140–161. DOI . JSTOR . PMID .
12. ↑ Rall, Jack A. (2014). Механизм мышечного сокращения . п. 23.
13. Хэнсон, Жан; Хаксли, Хью Э. (1953). «Структурная основа поперечной исчерченности мышцы». Природа . 172 (4377): 530–532. Bibcode . DOI . PMID . S2CID .
14. Хаксли, HE (1953). «Электронные микроскопические исследования организации волокон в поперечно-полосатых мышцах». Biochimica et Biophysica Acta . 12 (3): 387–394. DOI . PMID .
15. ^ Хаксли, HE (1996). «Персональный взгляд на мышечные и двигательные механизмы». Ежегодный обзор физиологии . 58 (1): 1–19. DOI . PMID .
16. Goldman, Yale E .; Францини-Армстронг, Клара; Армстронг, Клэй М. (2012). . Природа . 486 (7404): 474. Bibcode . DOI . PMID .
17. ↑ Rall, Jack A. (2014). Механизм мышечного сокращения . С. 30–33, 41.
18. ↑ Huxley, AF (1986). . Британский медицинский журнал . 293 (6539): 115–117. DOI . PMC . PMID .
19. Хаксли, H .; Хэнсон, Дж. (1954). «Изменения поперечной исчерченности мышц при сокращении и растяжении и их структурная интерпретация». Природа . 173 (4412): 973–976. Bibcode . DOI . PMID . S2CID .
20. Spudich, J. (2013). . Молекулярная биология клетки . 24 (18): 2769–2771. DOI . PMC . PMID .
21. Хаксли, Хью Э. (2008). «Воспоминания о ранних работах по сокращению и регулированию мышц в 1950-х и 1960-х годах». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях . 369 (1): 34–42. DOI . PMID .
22. Хаксли, HE (1957). . Журнал биофизической и биохимической цитологии . 3 (5): 631–648. DOI . PMC . PMID .
23. Хаксли, HE (1963). «Электронно-микроскопические исследования структуры натуральных и синтетических белковых нитей поперечно-полосатой мышцы». Журнал молекулярной биологии . 7 (3): 281–308. DOI . PMID .
24. Хаксли, HE; Brown, W .; Холмс, KC (1965). «Постоянство осевых расстояний в портняжной мышце лягушки во время сокращения». Природа . 206 (4991): 1358. Bibcode . DOI . PMID . S2CID .
25. Кук, Р. (2004). . Журнал общей физиологии . 123 (6): 643–656. DOI . PMC . PMID .
26. ↑ Maruyama, K (1995). «Рождение концепции скользящей нити при сокращении мышц». Журнал биохимии . 117 (1): 1–6. DOI . PMID .
27. Гивз, Майкл А. (2002). «Растягивая теорию рычага-рычага». Природа . 415 (6868): 129–131. Bibcode . DOI . PMID . S2CID .
28. Spudich, JA (1989). . Клеточная регуляция . 1 (1): 1–11. DOI . PMC . PMID .
29. Yanagida, Тошио; Арата, Тошиаки; Осава, Фумио (1985). «Расстояние скольжения актиновой нити, индуцированное перекрестным мостиком миозина во время одного цикла гидролиза АТФ». Природа . 316 (6026): 366–369. Bibcode . DOI . PMID . S2CID .
30. Герцог, ТАД (1999). . Труды Национальной академии наук . 96 (6): 2770–2775. Bibcode . DOI . PMC . PMID .
31. Хаксли, HE (1969). «Механизм мышечного сокращения». Наука . 164 (3886): 1356–1366. Bibcode . DOI . PMID .
32. Spudich, Джеймс А. (2001). «Модель качающегося перемычки миозина». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 2 (5): 387–392. DOI . PMID . S2CID .
33. Fitts, RH (2007). «Мостовой цикл и утомление скелетных мышц». Журнал прикладной физиологии . 104 (2): 551–558. CiteSeerX . DOI . PMID .

ранняя жизнь и образование

Хаксли родился в Хэмпстеде, Лондон , Англия, 22 ноября 1917 года. Он был младшим сыном писателя и редактора Леонарда Хаксли от второй жены Леонарда Хаксли Розалинд Брюс и, следовательно, сводным братом писателя Олдоса Хаксли и коллеги-биолога Джулиана Хаксли. , и внук биолога Т.Х. Хаксли .

Когда ему было около 12 лет, родители подарили Эндрю и его брату Дэвиду токарный станок . Вскоре Эндрю научился конструировать, изготавливать и собирать всевозможные механические объекты, от деревянных подсвечников до работающего двигателя внутреннего сгорания . Он использовал эти практические навыки на протяжении всей своей карьеры, создав большую часть специализированного оборудования, необходимого для своих исследований. Еще в раннем подростковом возрасте у него сформировался интерес к микроскопии на протяжении всей жизни .

Он получил образование в школе университетского колледжа и Вестминстерской школы в центре Лондона, где он был королевским ученым . Он закончил и выиграл стипендию в Тринити — колледж, Кембридж , чтобы читать естественные науки . Он намеревался стать инженером, но переключился на физиологию после того, как взял предмет для выполнения факультатива.

История

Ранние работы

Первым мышечным белком был обнаружен миозин немецким ученым Вилли Кюне , который выделил и назвал его в 1864 году. В 1939 году российская команда мужа и жены Владимир Александрович Энгельгардт и Милица Николаевна Любимова обнаружили, что миозин обладает ферментативным (так называемым АТФазным ) свойством, которое может распад АТФ с высвобождением энергии

Альберт Сент-Дьёрдьи , венгерский физиолог, обратил свое внимание на физиологию мышц после получения Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1937 году за свои работы по витамину С и фумаровой кислоте. В 1942 году он продемонстрировал, что АТФ является источником энергии для сокращения мышц

Он действительно заметил, что мышечные волокна, содержащие миозин B, укорачиваются в присутствии АТФ, но не миозина A, опыт, который он позже описал как «возможно, самый волнующий момент в моей жизни». С Брюно Ференца Штраубу , он вскоре обнаружил , что миозин B был связан с другим белком, который они назвали актин, а миозин А , не было. Штрауб очистил актин в 1942 году, а Сент-Дьёрдьи очистил миозин A в 1943 году. Стало очевидно, что миозин B был комбинацией миозина A и актина, так что миозин A сохранил первоначальное название, тогда как они переименовали миозин B в актомиозин. К концу 1940-х годов команда Сент-Дьёрдьи с доказательствами постулировала, что сокращение актомиозина эквивалентно сокращению мышц в целом. Но это мнение было в целом противником, даже со стороны таких нобелевских лауреатов, как Отто Фриц Мейерхоф и Арчибальд Хилл , которые придерживались господствующей догмы о том, что миозин является структурным белком, а не функциональным ферментом. Однако в одном из своих последних вкладов в исследования мышц Сент-Дьёрдьи продемонстрировал, что актомиозин, управляемый АТФ, является основным принципом сокращения мышц.

Источник

Структура мышечного волокна (саркомера) под электронным микроскопом со схематическим объяснением

К тому времени, когда Хью Хаксли получил докторскую степень в Кембриджском университете в 1952 году за исследования структуры мышц, Сент-Дьерди превратил свою карьеру в исследования рака. Хаксли отправился в лабораторию Фрэнсиса О. Шмитта в Массачусетском технологическом институте с постдокторской стипендией в сентябре 1952 года, где к нему присоединился другой английский научный сотрудник Джин Хансон в январе 1953 года. Хэнсон имел докторскую степень по строению мышц. из Королевского колледжа в Лондоне в 1951 году. Хаксли использовал дифракцию рентгеновских лучей, чтобы предположить, что мышечные белки, особенно миозин, образуют структурированные волокна, дающие начало саркомеру (сегменту мышечного волокна). Их главная цель состояла в том, чтобы использовать электронную микроскопию для изучения деталей этих нитей, как никогда раньше. Вскоре они обнаружили и подтвердили филаментную природу мышечных белков. Миозин и актин образуют перекрывающиеся филаменты, миозиновые филаменты в основном составляют полосу А (темная область саркомера), тогда как филаменты актина пересекают полосы А и I (светлая область). Хаксли был первым, кто предложил теорию скользящей нити в 1953 году, заявив:

Позже, в 1996 году, Хаксли пожалел, что ему следовало включить Хэнсона в формулировку своей теории, потому что она была основана на их совместной работе.

Эндрю Хаксли , которого Алан Ходжкин описал как «волшебник с научным аппаратом», только что открыл механизм передачи нервного импульса ( потенциала действия ) (за что он и Ходжкин позже получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году) в 1949 году, используя он разработал зажим для напряжения и искал помощника, который мог бы правильно рассечь мышечные волокна. По рекомендации близкого друга Роберта Штемпфли к нему в 1952 году присоединился немецкий врач Рольф Нидергерке в Кембриджском университете. К тому времени он понял, что обычно используемый фазово-контрастный микроскоп не подходит для тонких структур мышечных волокон, и поэтому разработал свой собственный интерференционный микроскоп . С марта 1953 г. по январь 1954 г. они выполнили свои исследования. Хаксли вспоминал, что в то время единственным человеком, который когда-либо думал о скользящих нитях до 1953 года, была Дороти Ходжкин (позже лауреат Нобелевской премии по химии 1964 года ). Лето 1953 года он провел в морской биологической лаборатории в Вудс-Холе, штат Массачусетс, чтобы использовать там электронный микроскоп. Там он встретил Хью Хаксли и Хэнсона, с которыми поделился данными и информацией об их работах. Они расстались, договорившись, что будут поддерживать связь, а когда их цель будет достигнута, они опубликуют вместе, если когда-нибудь «придут к аналогичным выводам».

Прием и последствия [ править ]

Несмотря на убедительные доказательства, теория скользящей нити не получила поддержки в течение нескольких лет. Сам Сент-Дьёрдьи отказывался верить, что миозиновые филаменты ограничены толстым филаментом (полоса А). Ф.О. Шмитт, чей электронный микроскоп предоставил лучшие данные, также скептически относился к исходным изображениям. Были также немедленные аргументы относительно организации филаментов, были ли два набора филаментов (миозин и актин) просто перекрывающимися или непрерывными. Только с помощью нового электронного микроскопа Хью Хаксли подтвердил перекрывающуюся природу волокон в 1957 году .Именно из этой публикации было ясно показано существование актин-миозиновой связи (теперь называемой поперечным мостиком). Но ему потребовалось еще пять лет, чтобы предоставить доказательства того, что поперечный мост представляет собой динамическое взаимодействие между актином и миозиновыми филаментами. Он получил реальное молекулярное расположение нитей с помощью рентгеновской кристаллографии, объединившись с Кеннетом Холмсом , который обучался у Розалинд Франклин в 1965 году. Это произошло только после конференции в 1972 году в лаборатории Колд-Спринг-Харбор. , где обсуждалась теория и ее доказательства, что она стала общепринятой. На конференции, как позже вспоминал Кочак Маруяма, Хансону пришлось ответить на критику, крикнув: «Я знаю, что пока не могу объяснить механизм, но скольжение — это факт». Фактические доказательства пришли в начале 1980-х, когда различные исследователи могли продемонстрировать реальное скользящее движение с использованием новых сложных инструментов.

Механизм поперечного моста

Имея существенные доказательства, Хью Хаксли официально предложил механизм скользящей нити, который по-разному называют моделью качающегося поперечного моста, теорией поперечного моста или моделью поперечного моста. (Сам он предпочел название «модель качающегося поперечного моста», потому что, как он вспоминал, «это было, в конце концов, 1960-х». ) Он опубликовал свою теорию в 20-х годах. Июньский номер журнала Science за 1969 г. под названием «Механизм мышечного сокращения». Согласно его теории, скольжение филаментов происходит за счет циклического прикрепления и отсоединения миозина от актиновых филаментов. Сокращение происходит, когда миозин тянет актиновую нить к центру полосы А, отделяется от актина и создает силу (удар) для связывания со следующей молекулой актина. Эта идея была впоследствии подробно доказана и более уместно известна как цикл перекрестных мостов .

Личная жизнь

В 1947 году Хаксли женился на Джоселин «Риченда» Гаммелл (урожденная Пиз), дочери генетика Майкла Пиза (сына Эдварда Р. Пиза ) и его жене Хелен Боуэн Веджвуд, старшей дочери первого лорда Веджвуда (см. Также Дарвин– Семья Веджвуд ). У них были один сын и пять дочерей — Джанет Рэйчел Хаксли (родилась 20 апреля 1948 года), Стюарт Леонард Хаксли (родилась 19 декабря 1949 года), Камилла Розалинд Хаксли (родилась 12 марта 1952 года), Элеонора Брюс Хаксли (родилась 21 февраля 1959 года), Генриетта Кэтрин Хаксли (родился 25 декабря 1960 года) и Клэр Марджори Пиз Хаксли (родился 4 ноября 1962 года).

Смерть

Хаксли умер 30 мая 2012 года. У него остались шестеро детей, внуки и правнуки. Его жена Риченда, леди Хаксли, умерла в 2003 году в возрасте 78 лет. 13 июня 2012 года в часовне Тринити-колледжа прошла панихида, за которой последовала частная кремация.

Награды

Хаксли, Алан Ходжкин и Джон Эклс совместно выиграли Нобелевскую премию 1963 года по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся ионных механизмов, участвующих в возбуждении и торможении в периферических и центральных частях мембраны нервных клеток». Хаксли и Ходжкин получили премию за экспериментальную и математическую работу над процессом потенциалов действия нервов , электрических импульсов, которые позволяют деятельности организма координировать с помощью центральной нервной системы . Экклз сделал важные открытия в области синаптической передачи .

Хаксли был избран членом Королевского общества (FRS) в 1955 году и был награжден медалью Копли в 1973 году «в знак признания его выдающихся исследований механизмов нервного импульса и активации мышечного сокращения». Он был посвящен в рыцари по королевы Елизаветы II 12 ноября 1974 года он был назначен на ордена за заслуги 11 ноября 1983 г. В 1976-77 он был президентом науки Британской ассоциации и с 1980 по 1985 год он занимал пост президента Королевской Общество .

Портрет Хаксли работы Дэвида Пула находится в коллекции Тринити-колледжа.

Математические свойства

Модель Ходжкина-Хаксли можно рассматривать как дифференциальное уравнение системы с четырьмя переменными состояния , и , что изменение по времени . Систему сложно изучать, потому что это нелинейная система и не может быть решена аналитически. Однако для анализа системы доступно множество числовых методов. Можно доказать, что существуют определенные свойства и общие закономерности, такие как предельные циклы .
Vм(т),п(т),м(т){\ Displaystyle V_ {м} (т), п (т), м (т)}час(т){\ Displaystyle ч (т)}т{\ displaystyle t}

Моделирование модели Ходжкина – Хаксли в фазовом пространстве в терминах напряжения v (t) и регулирующей переменной n (t) калия. Замкнутая кривая называется предельным циклом .

Центральный коллектор

Поскольку существует четыре переменных состояния, визуализировать путь в фазовом пространстве может быть сложно. Обычно выбираются две переменные, напряжение и переменная стробирования калия , что позволяет визуализировать предельный цикл . Однако нужно быть осторожным, потому что это специальный метод визуализации четырехмерной системы. Это не доказывает существования предельного цикла.
Vм(т){\ Displaystyle V_ {m} (т)}п(т){\ Displaystyle п (т)}

Лучшая проекция может быть построена на основе тщательного анализа якобиана системы, вычисленного в точке равновесия . В частности, собственные значения якобиана указывают на существование центрального многообразия . Точно так же собственные векторы якобиана показывают ориентацию центрального многообразия . Модель Ходжкина – Хаксли имеет два отрицательных собственных значения и два комплексных собственных значения с немного положительными действительными частями. Собственные векторы, связанные с двумя отрицательными собственными значениями, уменьшатся до нуля с увеличением времени t . Оставшиеся два комплексных собственных вектора определяют центральное многообразие. Другими словами, 4-мерная система коллапсирует на 2-мерную плоскость. Любое решение, начинающееся с центрального коллектора, будет распадаться по направлению к центральному коллектору. Кроме того, предельный цикл содержится на центральном многообразии.

Напряжение v ( t ) (в милливольтах) модели Ходжкина – Хаксли, построенное за 50 миллисекунд. Вводимый ток варьируется от -5 наноампер до 12 наноампер. График проходит через три стадии: стадию равновесия, стадию одиночного пика и стадию предельного цикла.