CO CƠ DIỄN RA NHỜ CƠ CHẾ TRƯỢT LÊN NHAU CỦA CÁC TƠ CƠ

Hình 6-5 cho thấy chơ chế nền tảng của co cơ vân. Cho thấy trạng thái giãn của một sarcomere (trên) và trạng thái co cơ (dưới). Ở trạng thái giãn, đầu tận của các sợi actin đi từ hai đĩa Z liên tiếp rõ ràng trùng lên nhau. Tóm lại, ở trạng thái co cơ, những sợi actin này được kéo vào trong giữa các sợi myosin, vì thế đầu tận của chúng trùng lên nhau nhiều nhất. Cũng trong trường hợp này, các đĩa Z được kéo bởi các sợi actin tiến đến đầu tận của các sợi myosin. Vì thế, co cơ xảy ra bởi cơ chế trượt lên nhau của các sợi.

Nhưng cơ chế nào làm cho các sợi actin trượt vào trong giữa các sợi myosin? Quá trình này được gây ra bởi một lực tạo ra do sự tương tác của các cầu nối từ sợi myosin với các sợi actin. Ở trạng thái giãn cơ, những lực này thì không xuất hiện, nhưng khi một điện thế hoạt động đi dọc theo sợi cơ, việc này gây ra sự giải phóng một lượng lớn ion canxi từ lưới nội cơ tương một cách nhanh chóng quanh các tơ cơ. Ion canxi lần lượt hoạt hóa lực giữa các sợi actin và myosin và co cơ bắt đầu. Tuy nhiên, năng lượng cần cho co cơ được thực hiện. Năng lượng này đến từ liên kết cao năng lượng trong phân tử ATP, là quá trình thoái hóa thành ADP để sinh ra năng lượng. Trong những phần tiếp theo, chúng ta sẽ mô tả những quá trình ở mức độ phân tử của co cơ.

CÁC ĐẶC ĐIỂM PHÂN TỬ CỦA CÁC SỢI GÂY CO CƠ

CÁC SỢI MYOSIN LÀ MỘT TẬP HỢP NHIỀU PHÂN TỬ MYOSIN

Mỗi phân tử myosin, như trong Hình 6-6A, có trọng lượng phân tử khoảng 480000. Hình 6-6B cho thấy một tập hợp nhiều phân tử để hình thành nên sợi myosin, cũng như sự tương tác của các sợi này với sợi actin ở mỗi bên.

Phân tử myosin (như Hình 6-6A) bao gồm 6 chuỗi polypeptides – 2 chuỗi nặng, mỗi chuỗi có trọng lượng phân tử khoảng 200000 và 4 chuỗi nhẹ với trọng lượng phân tử khoảng 20000 mỗi chuỗi. Hai chuỗi nặng đi theo dạng xoắn chôn ốc bao lấy nhau tạo nên chuỗi xoắn kép, được gọi là đuôi của các phân tử myosin. Một đầu của mỗi chuỗi này sẽ gấp lại về hai bên thành cấu trúc chuỗi polypeptides hình cầu được gọi là đầu myosin. Vì thế, có hai đầu tự do ở mỗi đầu của chuỗi xoắn kép. Bốn chuỗi nhẹ cũng là một phần của đầu myosin, hai chuỗi cho mỗi đầu phân tử myosin. Những chuỗi nhẹ này giúp kiểm soát chức năng của đầu trong suốt quá trình co cơ.

Các sợi myosin được tạo thành từ 200 hoặc nhiều hơn các phân tử myosin đơn lẻ. Phần trung tâm của một trong các sợi này được thấy ở Hình 6-6B, cho thấy đuôi của các phân tử myosin nối cùng với nhau để hình thành nên thân sợi, trong khi nhiều đầu của phân tử được gắn vào thân ở bên ngoài dọc theo thân sợi, những phần gắn đầu vào thân sợi được gọi là cánh tay, như trong hình. Phần cánh tay và phần đầu lồi ra cùng nhau được gọi là cầu nối. Mỗi cầu nối có thể di động ở hai điểm được gọi là bản lề – một là nơi cánh tay bám vào thân sợi myosin và một vị trí khác là nơi đầu gắn với cánh tay. Khớp bản lề ở cánh tay cho phép đầu mở ra xa thân hoặc khép lại gần thân. Khớp bản lề tại đầu tham gia vào quá trình co cơ thực sự, như sẽ nói ở những phần sau.

Chiều dài toàn bộ của các sợi myosin rất giống nhau – hầu như chính xác là 1,6 micrometers. Tuy nhiên, chú ý là không có đầu của các cầu nối ở trung tâm của sợi myosin một khoảng cách khoảng 0,2 micrometers do cánh tay ở vùng này mở ra xa khỏi trung tâm.

Bây giờ, để hoàn thành cấu trúc, sợi myosin xoắn lại để mỗi cặp cầu nối liên tiếp chênh nhau khoảng 120 độ so với cặp trước. Sự xoắn lại này đảm bảo cho các cầu nối mở ra theo mọi hướng xung quang sợi.

HOẠT TÍNH ADENOSINE TRIPHOSPHATE CỦA ĐẦU SỢI MYOSIN

Đặc điểm khác của đầu myosin cần cho sự co cơ đó là nó thực hiện chức năng như một enzym ATPase. Như giải thích theo những phần sau đây, thuộc tính này cho phép phần đầu tách phần tử ATP và sử dụng năng lượng có nguồn gốc từ liên kết phosphate cao năng lượng để năng lượng hóa quá trình co cơ.

CÁC SỢI ACTIN BAO GỒM ACTIN, TROPOMYOSIN VÀ TROPONIN

Trục của sợi actin là một phân tử protein F-actin chuỗi kép, thể hiện bởi hai chuỗi sáng màu hơn trong Hình 6-7. Hai chuỗi đi theo hình xoắn ốc giống như trong phân tử myosin.

Mỗi chuỗi trong chuỗi F-actin kép hình xoắn ốc bao gồm các phân tử được polyme hóa G-actin, mỗi trong số chúng có trọng lượng phân tử khoảng 42000. Bám vào mỗi phân tử G-actin là một phân tử ADP. Những phân tử ADP này được cho là vị trí hoạt hóa trên mỗi sợi actin mà các cầu nối của sợi myosin tương tác với gây ra co cơ. Vị trí hoạt hóa trên hai chuỗi F-actin trong chuỗi kép xếp xen kẽ nhau, vị trí hoạt hóa xuất hiện trên toàn bộ sợi actin mỗi 2,7 nanometers.

Mỗi sợi actin dài khoảng 1 micrometer. Nền các sợi actin được gắn chặt vào đĩa Z; đầu tận của các sợi đi theo cả hai hướng để nằm trong khoang giữa các phân tử myosin như trong Hình 6-5.

PHÂN TỬ TROPONIN

Sợi actin cũng chứa một protein khác, tropomyosin. Mỗi phân tử tropomyosin có trong lượng phân tử khoảng 70000 và chiều dài khoảng 40 nanometers. Những phân tử này đi theo hình xoắn ốc xung quanh cạnh theo xoắn ốc của F-actin. Ở trạng thái nghỉ, các phân tử tropomyosin nằm phía trên của các vị trí hoạt hóa của chuỗi actin để không có sự tương tác giữa sợi actin và sợi myosin để gây ra co cơ.

TROPONIN VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ TRONG CO CƠ VÂN

Bám một cách gián đoạn dọc theo các bên của phân tử tropomyosin là các phân tử protein được gọi là troponin. Những protein này thực sự là một phức hợp của ba tiểu đơn vị protein liên kết với nhau lỏng lẻo, mỗi phân tử đóng vai trò riêng trong kiểm soát co cơ. Một trong các tiểu đơn vị (troponin I) có ái tính mạnh đối với actin, một phân tử khác (troponin T) ái tính với tropomyosin, và thứ ba là troponin C đối với ion canxi. Phức hợp này được cho là nối tropomyosin vào sợi actin. Ái tính mạnh của troponin đối với ion canxi được cho là khởi động quá trình co cơ, như giải thích trong phần tiếp theo.

TƯƠNG TÁC CỦA MỘT SỢI MYOSIN, HAI SỢI ACTIN VÀ ION CANXI ĐỂ GÂY RA CO CƠ

SỰ ỨC CHẾ CỦA SỢI ACTIN DO PHỨC HỢP TROPONIN – TROPOMYOSIN

Một sợi actin đơn thuần mà không có sự xuất hiện của phức hợp troponin – tropomyosin (nhưng có sự xuất hiện của ion magie và ATP) liên kết hằng định và chặt chẽ với đầu của phân tử myosin. Sau đó, nếu phức hợp troponin – tropomyosin được thêm vào sợi actin, liên kết giữa sợi actin và sợi myosin không xảy ra. Vì thế, vị trí hoạt hóa được cho rằng ở các sợi actin bình thường khi cơ giãn bị ức chế hoặc bị che đi bởi phức hợp troponin – tropomyosin. Cuối cùng, các vị trí này không thể kết nối với các đầu của sợi myosin để gây ra co cơ. Trước khi co cơ có thể xảy ra, hiệu quả ức chế của phức hợp troponin – troponinmyosin phải bị ức chế.

SỰ HOẠT HÓA CỦA SỢI ACTIN BỞI ION CANXI

Trong trường hợp xuất hiện lượng lớn ion canxi, hiệu quả ức chế của phức hợp trên sợi actin bị ức chế. Cơ chế của sự ức chế này thì không biết, nhưng một giả thuyết như sau: Khi ion canxi kết hợp với troponin C, mỗi phân tử có thể kết hợp chặt lên đến 4 ion canxi, phức hợp troponin trải qua một sự thay đổi về cấu hính theo một vài các trên phân tử tropomyosin và di chuyển sâu hơn vào các rãnh giữa hai chuỗi actin. Hoạt động này làm lộ ra vị trí hoạt hóa của sợi actin. Vì thế cho phép những vị trí hoạt hóa này tương tác với các đầu của sợi myosin và gây ra co cơ. Mặc dù cơ chế này là giả thuyết nhưng nó nhấn mạnh mối liên hệ bình thường giữa phức hợp troponin – tropomyosin và sợi actin được thay đổi bởi ion canxi, tạo ra một hoàn cảnh mới và có thể tạo ra quá trình co cơ.