Подорож вглиб м’язів

Коли Архімед зажадав точку опори, щоб перевернути світ, він не проявив зайвої самовпевненості, просто він був впевнений в собі: не говорячи про важіль, у нього мабуть були досить міцні м’язи. І право ж, Архімед не помилявся. Сам того не відаючи, він першим оцінив істинною мірою не тільки казкову силу важеля, а й велику міць, закладену в м’язі. Адже що не кажи, важелі важелями, а силу до всякої справи докласти теж треба. І часом чималу. Звідки ж береться в ній ця стрімкість сталевої пружини і міць, здатна затьмарити всі технічні чудеса нашого століття?

М’яз – двигун особливого роду. Йому не зрівнятися ні з паровим котлом, ні з дизелем, нічого турбореактивного в ньому теж при всьому бажанні не знайти. І все ж м’язом ратним і працьовитим понині сильний чоловік. Навіть поруч з атомним реактором не меркне його слава. І не тому тільки, що все на Землі зроблено ним – м’яз сам по собі працює не гірше будь-якого мотора. А влаштований він, мабуть, набагато економніше і міцніше. М’язова механіка куди досконаліше всіх паровиків і турбін. Знай ми її трохи краще, багатьом залізним «чемпіонам» напевно довелося б потіснитися.

Я не сумніваюся, що машина, побудована за зразком м’язів, такий собі сталевий мускул, з часом стане одним з найпотужніших двигунів у промисловості, на транспорті і навіть вдома. Ну, кому вони потрібні будуть ці пральні агрегати і пудові «натирачі», якщо з’являться легкі, сильні, спритні “руки” і “ноги”?

Але справа не тільки в технічних нововведеннях. Вивчення м’яза обіцяє нам щось більше, ніж може дати наймогутніший і досконалий механізм – здоров’я, часом життя. Так, без перебільшення: життя. Бо й понині більше половини людей на землі гине від того, що серцевий м’яз обриває свою невпинну, істинно єгипетську працю. Де добути іскру, здатну з новою силою запалити полум’я згасаючого життя? У серці. Це не метафора. Тільки в глибинах серцевого м’яза можна відшукати ключ до його порятунку. Але проникнути в них, мабуть, важче, ніж досягти дна морського. М’язовий рух, простий і природний, як посмішка, зітхання, рукостискання, на перевірку виявився на рідкість загадковим.

Підвладний найменшій примсі людини, він вперто приховує від неї свою тонку механіку. А між тим розкрити її – це і означає взяти в руки управління однією з найважливіших систем людського тіла. Тому так уважно вдивляються в м’язове волоконце анатом і фізіолог, біохімік і біофізик. Вони хочуть зрозуміти, що ж відбувається в його надрах у момент скорочення. Справді – що?

ЧУДО МОЛЕКУЛЯРНОЇ ТЕХНІКИ

Як не дивно, скорочуючись, м’яз зовсім не скорочується: довжина його найтонших надмікроскопічних волоконець залишається незмінною. Але коротше він все-таки стає. Це знає всякий, хто бачив, як дригається жаб’яча лапка, коли через неї пропускають струм. Без скорочення не було б руху. Як же так: м’язові волоконця не скорочуються, а весь м’яз коротшає? Так, у м’язі закладений досить цікавий механізм, в ньому вартує покопатися.

Заглянути в нього вдалося порівняно недавно, коли електронний мікроскоп відкрив перед дослідниками фантастичний світ білкових молекул. З тих пір м’язова механіка стала потроху прояснюватися. Від електрона вона вже не могла вберегти своїх таємниць. Так підемо за ним в невідому молекулярну глиб м’яза. Але перш, ніж відправитися за нашим прозорливим «поводирем», поглянемо на м’яз через звичайний світловий мікроскоп. Ось його перші складові частини – сотні тонких, щільно підігнаних один до одного волокон. Покреслені поперечними смугами, всі разом вони схожі на розпластану шкуру тигра.

Від частих смуг навіть в очах рябить. Але якщо вдивитися, у цієї «шкури» є і ворсинки: вона складається з безлічі ще більш тонких волоконець – міофібрил. Так у світлому колі мікроскопа виглядають найбільші блоки м’язової архітектури. М’яз зібраний з волокон, а кожне м’язове волокно – це пучок витягнутих міофібрил. Словом, при звичайному збільшенні м’яз виглядає, як багатожильний канат. Ось, мабуть, поки і все. Глибше око не бере, там починається загадковий світ надтонких структур. А до них без електронного мікроскопа не проникнеш.

Зате в його віконці інша картина. Вона нагадує вид на старе поле з пташиного польоту. Чергування яскравих і темних ліній, світла і тіні змінилося суцільним черезсмужжям. М’яз немов поділив свої угіддя на сотні маленьких ділянок. І в кожному з них біологи виявили абсолютно нові деталі – найтонші нитки м’язових білків, що називається останній гвинтик цієї складної живої механіки. Його-то їм якраз і не вистачало, щоб підкріпити одну дуже цікаву здогадку про природу м’язового скорочення.

Англійському мікроскопісту Хакслі, який провів чимало годин за вивченням м’язів, прийшла якось в голову цікава думка: уявити кожну міофібрилу чимось на зразок довгого ящика, щільно набитого маленькими рушницями. Зарядив він їх – зрозуміло, теж подумки – стрілами. У кожне дуло по стрілі. Прикладові в цій історії не відведено жодної ролі: діють тільки стовбур і заряд – «прототипи» якихось надмікроскопічних підрозділів міофібрили, про які вчений тоді лише смутно здогадувався. Що ж відбувається в цьому «ящику» в мить скорочення? Ви вже, напевно, здогадалися: залп з усіх стволів! Ан ні, дорогий читачу, не залп, а навпаки – зарядка: стріли швидко ковзають в дула. І занурюючись, – зауважте, це важливо, – як би коротшають. Чому як би? А тому, що насправді жодна стріла, звичайно, довжини не змінює, але, йдучи в стовбур, кожна стає начебто коротше. Ну, як шия, втягнута в плечі.

Ось вам і скорочення без скорочення! А тепер уявіть, що в тоненькій миофібріллі одночасно працюють сотні таких злагоджених механізмів. І роблять все по команді, розмірено, чітко. Хитро задумано, чи не так? І, взагалі-то, як з’ясувалося тепер, досить правдоподібно. Однак повернімося до живої плоті: порівняння порівняннями, але в м’язі, наскільки мені відомо, ніхто досі збройових складів не виявив. Зате угорські вчені Ференц Штрауб і Альберт Сент-Дьерді знайшли в ньому два білка – актин і міозин. Молекули актину круглі і рухливі, немов кульки ртуті. Варто додати до них трохи калієвої солі, вони миттєво утворюють короткі ланцюжки, які тут же зчіплюються в одну тонку і довгу нитку.

Такі нитки струнами натягнуті в кожній міофібриллі. Їх в неї дуже багато. Тісно притулившись один до одного, вони як би поверхами стуляють свої короткі ланки. В електронному мікроскопі вдалося побачити рівні поперечні раді, що перетинають прямі поздовжні лінії. М’яз розкреслений ними як аркуш із зошита. Вони-то і перекреслили всі попередні уявлення про нього. Жива плоть по своїй будові виявилася дуже схожою на кристал.

У цій витонченій молекулярній споруді природа використовувала і інший білок – міозин. Він не настільки тонкий, як його напарник, але і йому знайшлося робоче місце в міофібриллі. Міозинові тяжі пролягли тут строго між актиновими нитками, немов розчесавши їх на найтонші волокна. Як шнурок з двох сортів ниток – шовкових і суворих, – зроблена міофібрилла з ланцюжків актину і міозину. Ці білки і опинилися в кінцевому рахунку головним м’язовим двигуном.

У них багато різних властивостей, але одним природа їх обділила: ні актин, ні міозин самі по собі не можуть скоротитися. Зате об’єднавшись по-сусідськи в актоміозин, вони раптом знаходять дивну здатність до швидкого, майже блискавичного скорочення. Альберт Сент-Дьерді якось зізнався, що найбільш хвилюючим в його науковій кар’єрі був момент, коли він побачив, як скорочується актоміозин.

Хакслі відразу ж вхопився за ці білкові ниточки. У них він і визнав живе втілення своєї здогадки. Адже нитки актину – це і є ті «стріли», якими він заряджав свої уявні рушниці, а міозинові тяжі між ними, мабуть, грають роль рушничних стовбурів. У мить скорочення актинова нитка ковзає вздовж тяжів, як по накатаній лижні. Проте все це було лише здогадкою, потрібні були достовірні факти.

Тепер судіть самі, яким був подив і радість вченого, коли на електронних фотографіях м’язів він чітко розрізнив два типи ниток, що рівномірно чергувалися. Електронний мікроскоп дав міцну опору його «слизькій» гіпотезі. Вона буквально повисла на цих новознайдених білкових нитках. І стала нині однією з найбільш достовірних теорій м’язового скорочення.

Так ось, виявляється, у чому секрет. Не скручування білкових молекул в спіраль і не складання їх на зразок аршини, як довго вважали вчені, а звичайне ковзання лежить в основі м’язової механіки. Актинова нитка, немов санний полоз, в’їжджає між тяжами міозину. Вклинюючись вглиб тяжів, вона коротшає. Все це має відбуватися майже миттєво, інакше як пояснити різкий кидок воротаря, стрімкість пташиного старту, сотні помахів в секунду крилець якоїсь комашки.

Так, нічого не скажеш, механізм відпрацьований природою чітко! Але, на жаль, не так ще чітко розібралися в ньому біологи. Адже будь-який двигун, як би він не був досконалий, і гвинтиком не поворухне без пального. Подавай йому вугілля, бензин, електроенергію, нарешті, розщеплений атом. Ну а м’яз чим гірше? Звідки він черпає свою невпинну силу, де джерело його енергії, словом, що відбувається в мускульній топці в мить найвищої напруги?

ПОЛУМ’Я ЖИТТЯ

Простий і красивий дослід поставив якось все той же угорський біолог Сент-Дьерді. Він запитав себе: що рухає м’язом? І замість відповіді начисто знищив у ньому навіть найменший натяк на активний рух. Ретельно вимочивши і заморозивши смужку кролячого м’язу, він позбавив його здатності самостійно скорочуватися. Жива машина застопорилася. Млява, байдужа до всяких подразнень, вона мертво лежала на столику. Ось тепер-то можна було почати пошуки палива, яке приводить її в рух.

Обережно, точно боячись злякати самого себе, опустив вчений м’язову смужку в розчин калієвої солі. Трохи почекав, потім додав магнію. І, нарешті, капнув з піпетки всього-навсього одну краплю світлої рідини. В ту ж мить м’яз ожив! Він скоротився так сильно і стрімко, що легко міг би підняти вантаж у тисячу разів важче власної ваги. Рекордна цифра! Сам кролик не вичавив би з нього більшого. Але ви, звичайно, хочете знати: що це за чарівна крапелька, яка вдихнула у м’яз таку енергію?

Аденозинтрифосфорна кислота, коротше – АТФ. Всього три букви, а прозвучали вони в біології вагоміше багатьох слів: за ними – велике відкриття. АТФ – скарбничка живої енергії. Кожна вхідна в неї частинка фосфору (всього їх три), вносить свій маленький енергетичний вклад. Разом вони накопичують про запас досить солідний заряд. У ту мить, коли м’яз отримує зверху наказ «скорочуватися!», цей незвичайний акумулятор щедро віддає йому весь запас енергії. Негайно м’язовий двигун приходить в дію. Але АТФ при цьому руйнується. Таке вже його призначення: розпадаючись, звільняти енергію. Куди ж скидається цей енергетичний «водоспад», які механізми запускає він у м’язі?

З такою магічною речовиною, як АТФ, біологи могли вже потроху «промацати» деталі подрібніше, наприклад м’язове волоконце – міофібрила. Вона не змусила себе довго просити, жваво скоротилася. Але і це ще не було останньою межею. Коли угорський дослідник, хвилюючись, стежив за скороченням актоміозинової нитки, АТФ і їй справно постачала енергію. Ось, подумав вчений, ще один доказ, що білкова ниточка – найменша модель найпростіших скоротних системи: міофібрили.

Так поступово біологи розбирали механіку м’язів. А енергетика давалася їм важче. Не так-то легко простежити перехід хімічної енергії в рух, та ще в молекулах живого організму. Однак дещо вченим вдалося з’ясувати.

Щоб віддати свої енергетичні запаси, АТФ вступає в зв’язок з м’язовими білками, точніше, з одним з них – міозином. Як це відбувається – невідомо. Об’єднуються вони в тимчасову хімічну співдружність, чи перекидають немов жонглери, заряджені частинки – іони, поки не знає ніхто, але факт такий: АТФ передає свій заряд міозину. І що особливо цікаво – він сам змушує зробити собі такий цінний подарунок.

Цю властивість виявив у міозині російський вчений, академік Володимир Олександрович Енгельгардт. Він відкрив у м’язі пусковий пристрій енергетичної реакції. Їм виявилося – що б ви думали? – саме м’язове волоконце: міофібрилла. Ця трудівниця не тільки працює невтомно, але й здобуває собі прожиток. Спонукає АТФ до розпаду її власний білок – міозин. Він завжди – немов на спусковому курку цієї складної, ймовірно, багатоступінчастої реакції.

Автор: А. Шварц.