Teoria do filamento deslizante - Sliding filament theory
A teoria do filamento deslizante explica o mecanismo de contração muscular com base nas proteínas musculares que deslizam umas sobre as outras para gerar movimento. De acordo com a teoria do filamento deslizante, os filamentos de miosina (grossos) das fibras musculares passam pelos filamentos de actina (finos) durante a contração muscular, enquanto os dois grupos de filamentos permanecem em comprimento relativamente constante.
Foi introduzido de forma independente em 1954 por duas equipes de pesquisa, uma consistindo de Andrew F. Huxley e Rolf Niedergerke da Universidade de Cambridge , e a outra consistindo de Hugh Huxley e Jean Hanson do Massachusetts Institute of Technology . Foi originalmente concebido por Hugh Huxley em 1953. Andrew Huxley e Niedergerke o apresentaram como uma hipótese "muito atraente".
Antes da década de 1950, havia várias teorias concorrentes sobre a contração muscular, incluindo atração elétrica, dobramento de proteínas e modificação de proteínas. A nova teoria introduziu diretamente um novo conceito chamado teoria da ponte cruzada (ponte cruzada classicamente oscilante, agora conhecida principalmente como ( ciclo da ponte cruzada ), que explica o mecanismo molecular do filamento deslizante. A teoria da ponte cruzada afirma que a actina e a miosina se formam um complexo de proteínas (classicamente chamado de actomiosina ) pela fixação da cabeça de miosina no filamento de actina, formando assim uma espécie de ponte cruzada entre os dois filamentos. A teoria do filamento deslizante é uma explicação amplamente aceita do mecanismo que está por trás da contração muscular.
História
Trabalhos iniciais
A primeira proteína muscular descoberta foi a miosina por um cientista alemão Willy Kühne , que a extraiu e deu o nome em 1864. Em 1939, marido e mulher russos Vladimir Alexandrovich Engelhardt e Militsa Nikolaevna Lyubimova descobriram que a miosina tinha uma propriedade enzimática (chamada ATPase ) que pode quebrar ATP para liberar energia. Albert Szent-Györgyi , um fisiologista húngaro, voltou seu foco para a fisiologia muscular depois de ganhar o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1937 por seus trabalhos sobre vitamina C e ácido fumárico . Ele demonstrou em 1942 que o ATP era a fonte de energia para a contração muscular. Na verdade, ele observou que as fibras musculares contendo miosina B encurtavam na presença de ATP, mas não com a miosina A, experiência que ele mais tarde descreveu como "talvez o momento mais emocionante da minha vida". Com Brunó Ferenc Straub , ele logo descobriu que a miosina B estava associada a outra proteína, que eles chamavam de actina, enquanto a miosina A não. Straub purificou a actina em 1942 e Szent-Györgyi purificou a miosina A em 1943. Tornou-se aparente que a miosina B era uma combinação de miosina A e actina, de modo que a miosina A manteve o nome original, enquanto eles renomearam miosina B como actomiosina. No final da década de 1940, a equipe de Szent-Györgyi postulou com evidências que a contração da actomiosina era equivalente à contração muscular como um todo. Mas a noção era geralmente oposta, até mesmo de nomes como os ganhadores do Nobel, como Otto Fritz Meyerhof e Archibald Hill , que aderiam ao dogma predominante de que a miosina era uma proteína estrutural e não uma enzima funcional. No entanto, em uma de suas últimas contribuições à pesquisa muscular, Szent-Györgyi demonstrou que a actomiosina impulsionada pelo ATP era o princípio básico da contração muscular.
Origem
Na época em que Hugh Huxley obteve seu PhD da Universidade de Cambridge em 1952 em sua pesquisa sobre a estrutura muscular, Szent-Györgyi havia transformado sua carreira em pesquisas sobre o câncer. Huxley foi para o laboratório de Francis O. Schmitt no Massachusetts Institute of Technology com uma bolsa de pós-doutorado em setembro de 1952, onde se juntou a outro pós-doutorado inglês Jean Hanson em janeiro de 1953. Hanson tinha um PhD em estrutura muscular do King's College, Londres, em 1951. Huxley usou difração de raios-X para especular que as proteínas musculares, particularmente a miosina, formam filamentos estruturados dando origem ao sarcômero (um segmento de fibra muscular). Seu principal objetivo era usar microscopia eletrônica para estudar os detalhes desses filamentos como nunca antes feito. Eles logo descobriram e confirmaram a natureza dos filamentos das proteínas musculares. A miosina e a actina formam filamentos sobrepostos, os filamentos de miosina constituem principalmente a banda A (a região escura de um sarcômero), enquanto os filamentos de actina atravessam as bandas A e I (região clara). Huxley foi o primeiro a sugerir a teoria do filamento deslizante em 1953, afirmando:
"... [I] f é postulado que o alongamento do músculo ocorre, não por uma extensão dos filamentos, mas por um processo no qual os dois conjuntos de filamentos deslizam [grifo nosso] um após o outro; a extensibilidade será então inibida se a miosina e a actina estão ligadas. "
Mais tarde, em 1996, Huxley lamentou que ele deveria ter incluído Hanson na formulação de sua teoria porque era baseado em seu trabalho colaborativo.
Andrew Huxley , que Alan Hodgkin descreveu como "mago com aparato científico", tinha acabado de descobrir o mecanismo de transmissão do impulso nervoso ( potencial de ação ) (pelo qual ele e Hodgkin mais tarde ganharam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1963) em 1949 usando seu próprio projeto de pinça de voltagem e estava procurando um associado que pudesse dissecar as fibras musculares de maneira adequada. Por recomendação de um amigo íntimo Robert Stämpfli, o médico alemão Rolf Niedergerke juntou-se a ele na Universidade de Cambridge em 1952. Nessa época ele percebeu que o microscópio de contraste de fase convencionalmente usado não era adequado para estruturas finas de fibras musculares e, assim, desenvolveu seu próprio microscópio de interferência . Entre março de 1953 e janeiro de 1954, eles realizaram suas pesquisas. Huxley lembrou que, na época, a única pessoa que já pensou em deslizar filamentos antes de 1953 foi Dorothy Hodgkin (mais tarde ganhadora do Prêmio Nobel de Química em 1964 ). Ele passou o verão de 1953 no Laboratório de Biologia Marinha em Woods Hole, Massachusetts, para usar o microscópio eletrônico lá. Lá ele conheceu Hugh Huxley e Hanson com quem compartilhou dados e informações sobre seus trabalhos. Eles se separaram com um acordo de que manteriam contato e, quando seu objetivo fosse alcançado, publicariam juntos, se algum dia "chegassem a conclusões semelhantes".
A teoria do filamento deslizante
A teoria do filamento deslizante nasceu de dois artigos consecutivos publicados na edição de 22 de maio de 1954 da Nature sob o tema comum "Alterações estruturais no músculo durante a contração". Embora suas conclusões fossem fundamentalmente semelhantes, seus dados experimentais e proposições subjacentes eram diferentes.
Hipótese de Huxley-Niedergerke
O primeiro artigo, escrito por Andrew Huxley e Rolf Niedergerke, é intitulado "Microscopia de interferência de fibras musculares vivas". Foi baseado em seu estudo do músculo da rã usando microscópio de interferência, que Andrew Huxley desenvolveu para esse propósito. De acordo com eles:
- as bandas I são compostas de filamentos de actina e as bandas A principalmente de filamentos de miosina; e
- durante a contração, os filamentos de actina se movem para as bandas A entre os filamentos de miosina.
Hipótese de Huxley-Hanson
O segundo artigo, de Hugh Huxley e Jean Hanson, é intitulado "Mudanças nas estrias transversais dos músculos durante a contração e alongamento e sua interpretação estrutural". É mais elaborado e foi baseado em seu estudo do músculo de coelho usando contraste de fase e microscópios eletrônicos. De acordo com eles:
- a espinha dorsal de uma fibra muscular são os filamentos de actina que se estendem da linha Z até uma extremidade da zona H, onde são fixados a um componente elástico que denominaram filamento S;
- os filamentos de miosina se estendem de uma extremidade da banda A através da zona H até a outra extremidade da banda A;
- os filamentos de miosina permanecem em comprimento relativamente constante durante o alongamento ou contração muscular;
- se os filamentos de miosina se contraírem além do comprimento da banda A, suas extremidades se dobram para formar bandas de contração;
- Os filamentos de miosina e actina ficam lado a lado na banda A e, na ausência de ATP, não formam ligações cruzadas;
- durante o alongamento, apenas as bandas I e a zona H aumentam de comprimento, enquanto as bandas A permanecem as mesmas;
- durante a contração, os filamentos de actina se movem para as bandas A e a zona H é preenchida, as bandas I encurtam, a linha Z entra em contato com as bandas A; e
- a possível força motriz da contração são as ligações actina-miosina que dependem da hidrólise do ATP pela miosina.
Recepção e consequências
Apesar de fortes evidências, a teoria do filamento deslizante não ganhou qualquer apoio nos anos seguintes. O próprio Szent-Györgyi se recusou a acreditar que os filamentos de miosina estavam confinados ao filamento grosso (banda A). FO Schmitt, cujo microscópio eletrônico forneceu os melhores dados, também permaneceu cético em relação às imagens originais. Houve também argumentos imediatos quanto à organização dos filamentos, se os dois conjuntos (miosina e actina) de filamentos eram meramente sobrepostos ou contínuos. Foi apenas com o novo microscópio eletrônico que Hugh Huxley confirmou a natureza sobreposta dos filamentos em 1957. Foi também a partir desta publicação que a existência da ligação actina-miosina (agora chamada de ponte cruzada) foi claramente mostrada. Mas ele levou mais cinco anos para fornecer evidências de que a ponte cruzada era uma interação dinâmica entre os filamentos de actina e miosina. Ele obteve o arranjo molecular real dos filamentos usando cristalografia de raios-X ao se associar com Kenneth Holmes , que foi treinado por Rosalind Franklin , em 1965. Foi somente após uma conferência em 1972 no Cold Spring Harbor Laboratory , onde a teoria e seus evidências foram deliberadas, que se tornaram geralmente aceitas. Na conferência, como Koscak Maruyama lembrou mais tarde, Hanson teve de responder às críticas gritando: "Sei que ainda não posso explicar o mecanismo, mas o deslizamento é um fato." As provas factuais surgiram no início dos anos 1980, quando foi possível demonstrar o movimento deslizante real usando novas ferramentas sofisticadas de diferentes pesquisadores.
Mecanismo de ponte cruzada
Com evidências substanciais, Hugh Huxley propôs formalmente o mecanismo para o filamento deslizante e é chamado de modelo de ponte cruzada oscilante, teoria de ponte cruzada ou modelo de ponte cruzada. (Ele próprio preferia o nome "modelo de ponte cruzada oscilante", porque, como ele lembra, "[a descoberta] foi, afinal, os anos 1960".) Ele publicou sua teoria na edição de 20 de junho de 1969 da Science sob o título " O mecanismo de contração muscular ". De acordo com sua teoria, o deslizamento dos filamentos ocorre pela fixação e descolamento cíclicos da miosina nos filamentos de actina. A contração ocorre quando a miosina puxa o filamento de actina em direção ao centro da banda A, se desprende da actina e cria uma força (golpe) para se ligar à próxima molécula de actina. Essa ideia foi posteriormente comprovada em detalhes e é mais apropriadamente conhecida como o ciclo da ponte cruzada .