نظرية الخيوط المنزلقة

كان الميوسين أول بروتين عضلي تم اكتشافه، وذلك على يد العالم الألماني ويلي كوهن ، الذي استخلصه وأطلق عليه هذا الاسم عام 1864. ^{[ 7 ]} وفي عام 1939، اكتشف الزوجان الروسيان فلاديمير ألكساندروفيتش إنجلهارت وميليتسا نيكولايفنا ليوبيموفا أن للميوسين خاصية إنزيمية (تُسمى ATPase ) تُمكنه من تحليل ATP لإطلاق الطاقة. ^{[ 8 ]} بعد فوزه بجائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء عام 1937 عن أبحاثه حول فيتامين C وحمض الفوماريك ، وجّه عالم وظائف الأعضاء المجري ألبرت سينت-جيورجي اهتمامه إلى فسيولوجيا العضلات. وفي عام 1942، أثبت أن ATP هو مصدر الطاقة لانقباض العضلات. وقد لاحظ بالفعل أن ألياف العضلات التي تحتوي على الميوسين B تقصر في وجود ATP، ولكن ليس في وجود الميوسين A، وهي التجربة التي وصفها لاحقًا بأنها "ربما اللحظة الأكثر إثارة في حياتي". ^{[ ٩ ]} اكتشف سانت-جيورجي، بالتعاون مع برونو فيرينك شتراوب ، أن الميوسين B مرتبط ببروتين آخر أطلقوا عليه اسم الأكتين، بينما الميوسين A غير مرتبط به. قام شتراوب بتنقية الأكتين عام ١٩٤٢، وقام سانت-جيورجي بتنقية الميوسين A عام ١٩٤٣. واتضح أن الميوسين B هو مزيج من الميوسين A والأكتين، ولذلك احتفظ الميوسين A باسمه الأصلي، بينما أعادوا تسمية الميوسين B إلى أكتوميوسين. وبحلول نهاية الأربعينيات، افترض فريق سانت-جيورجي، مدعومًا بالأدلة، أن انقباض الأكتوميوسين يعادل انقباض العضلة ككل. ^{[ ١٠ ]} لكن هذه الفكرة قوبلت بمعارضة عامة، حتى من قبل حائزين على جائزة نوبل مثل أوتو فريتز مايرهوف وأرشيبالد هيل ، الذين تمسكوا بالرأي السائد بأن الميوسين بروتين بنيوي وليس إنزيمًا وظيفيًا . ^{[ 3 ]} ومع ذلك، في إحدى آخر مساهماته في أبحاث العضلات، أثبت سينت-جيورجي أن الأكتوميوسين المدفوع بالأدينوسين ثلاثي الفوسفات هو المبدأ الأساسي لانقباض العضلات. ^{[ 11 ]}

بحلول الوقت الذي حصل فيه هيو هكسلي على درجة الدكتوراه من جامعة كامبريدج عام 1952 عن بحثه في بنية العضلات، كان سينت-جيورجي قد حوّل مسيرته المهنية إلى أبحاث السرطان. ^{[ 12 ]} التحق هكسلي بمختبر فرانسيس أو. شميت في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بمنحة ما بعد الدكتوراه في سبتمبر 1952، حيث انضمت إليه زميلة ما بعد الدكتوراه الإنجليزية جان هانسون في يناير 1953. كانت هانسون قد حصلت على درجة الدكتوراه في بنية العضلات من كلية كينجز بلندن عام 1951. استخدم هكسلي حيود الأشعة السينية للتكهن بأن بروتينات العضلات، وخاصة الميوسين، تُشكّل خيوطًا مُهيكلة تُؤدي إلى تكوين الساركومير (جزء من ألياف العضلات). كان هدفهم الرئيسي هو استخدام المجهر الإلكتروني لدراسة تفاصيل تلك الخيوط بشكل لم يسبق له مثيل. وسرعان ما اكتشفوا وأكدوا الطبيعة الخيطية لبروتينات العضلات. يشكل الميوسين والأكتين خيوطًا متداخلة، حيث تشكل خيوط الميوسين بشكل رئيسي النطاق A (المنطقة الداكنة من الساركومير)، بينما تعبر خيوط الأكتين النطاقين A وI (المنطقة الفاتحة). ^{[ 13 ]} كان هكسلي أول من اقترح نظرية الخيوط المنزلقة في عام 1953، حيث ذكر ما يلي:

"... إذا افترضنا أن تمدد العضلة لا يحدث عن طريق امتداد الخيوط، بل عن طريق عملية تنزلق فيها مجموعتا الخيوط [تم إضافة التأكيد] فوق بعضهما البعض؛ فسيتم تثبيط قابلية التمدد إذا كان الميوسين والأكتين مرتبطين معًا." ^{[ 14 ]}

وفي وقت لاحق، في عام 1996، أعرب هكسلي عن أسفه لأنه كان ينبغي عليه إشراك هانسون في صياغة نظريته لأنها كانت مبنية على عملهما المشترك. ^{[ 15 ]}

كان أندرو هكسلي (لا تربطه به صلة قرابة) ^{[ 16 ]} ، الذي وصفه آلان هودجكين بأنه "عبقري في استخدام الأجهزة العلمية"، قد اكتشف للتو آلية انتقال النبضات العصبية ( جهد الفعل ) (والتي فاز هو وهودجكين بفضلها لاحقًا بجائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء عام 1963) في عام 1949 باستخدام تصميمه الخاص لمشبك الجهد ، وكان يبحث عن زميلٍ قادر على تشريح ألياف العضلات بدقة. ^{[ 17 ]} وبناءً على توصية من صديقه المقرب روبرت ستامبفلي، انضم إليه الطبيب الألماني رولف نيدرجركه في جامعة كامبريدج عام 1952. وبحلول ذلك الوقت، أدرك أن مجهر التباين الطوري المستخدم تقليديًا غير مناسب للبنى الدقيقة لألياف العضلات، فقام بتطوير مجهر التداخل الخاص به . وبين مارس 1953 ويناير 1954، أجريا أبحاثهما. ^{[ 18 ]} تذكر هكسلي أن الشخص الوحيد الذي فكر في الخيوط المنزلقة قبل عام 1953 كانت دوروثي هودجكين (الحائزة لاحقًا على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1964 ). ^{[ 19 ]} أمضى صيف عام 1953 في مختبر الأحياء البحرية في وودز هول، ماساتشوستس ، لاستخدام المجهر الإلكتروني هناك. وهناك التقى هيو هكسلي وهانسون، وتبادل معهما البيانات والمعلومات حول أعمالهما. وانتهى بهما الأمر إلى اتفاق على البقاء على اتصال، وعند تحقيق هدفهما، سينشران معًا، إذا ما توصلا إلى استنتاجات مماثلة. ^{[ 2 ]}

الورقة البحثية الأولى، التي كتبها أندرو هكسلي ورولف نيدرجرك، تحمل عنوان "المجهر التداخلي لألياف العضلات الحية". وقد استندت إلى دراستهما لعضلات الضفادع باستخدام المجهر التداخلي، الذي طوره أندرو هكسلي لهذا الغرض. ووفقًا لهما: ^{[ 4 ]}

1. تتكون الحزم I من خيوط الأكتين، بينما تتكون الحزم A بشكل أساسي من خيوط الميوسين؛
2. أثناء الانقباض، تتحرك خيوط الأكتين إلى النطاقات A بين خيوط الميوسين.

الورقة البحثية الثانية، من تأليف هيو هكسلي وجين هانسون، تحمل عنوان "التغيرات في التخطيطات العرضية للعضلات أثناء الانقباض والتمدد وتفسيرها البنيوي". وهي أكثر تفصيلاً، واستندت إلى دراستهما لعضلات الأرانب باستخدام مجهر التباين الطوري والمجهر الإلكتروني. ووفقًا لهما: ^{[ 20 ]}

1. العمود الفقري للألياف العضلية هو خيوط الأكتين التي تمتد من خط Z إلى أحد طرفي منطقة H، حيث ترتبط بمكون مرن أطلقوا عليه اسم "خيط S"؛
2. تمتد خيوط الميوسين من أحد طرفي النطاق A عبر المنطقة H وصولاً إلى الطرف الآخر من النطاق A؛
3. تبقى خيوط الميوسين بطول ثابت نسبياً أثناء تمدد العضلات أو انقباضها؛
4. إذا انقبضت خيوط الميوسين إلى ما بعد طول النطاق A، فإن نهاياتها تنطوي لتشكيل نطاقات انقباض؛
5. تتواجد خيوط الميوسين والأكتين جنبًا إلى جنب في النطاق A، وفي غياب ATP لا تشكل روابط متقاطعة؛
6. أثناء التمدد ، تزداد أطوال نطاقات I والمنطقة H فقط، بينما تظل نطاقات A كما هي؛
7. أثناء الانقباض ، تتحرك خيوط الأكتين إلى النطاقات A وتمتلئ المنطقة H مما يقلل من تمددها، وتقصر النطاقات I، ويتلامس الخط Z مع النطاقات A؛
8. إن القوة الدافعة المحتملة للانقباض هي روابط الأكتين-الميوسين التي تعتمد على تحلل ATP بواسطة الميوسين.

استنادًا إلى أدلة قوية، اقترح هيو هكسلي رسميًا آلية انزلاق الخيوط العضلية، والتي تُعرف بأسماء مختلفة، منها نموذج الجسر المتقاطع المتأرجح، ونظرية الجسر المتقاطع، ونموذج الجسر المتقاطع. ^{[ 3 ] [ 31 ]} (وقد فضّل هو نفسه اسم "نموذج الجسر المتقاطع المتأرجح"، لأنه، كما يتذكر، "كان هذا الاكتشاف في ستينيات القرن العشرين". ^{[ 2 ]} ) نشر هكسلي نظريته في عدد 20 يونيو 1969 من مجلة ساينس تحت عنوان "آلية انقباض العضلات". ^{[ 32 ]} ووفقًا لنظريته، يحدث انزلاق الخيوط العضلية من خلال ارتباط وانفصال الميوسين بشكل دوري عن خيوط الأكتين. ويحدث الانقباض عندما يسحب الميوسين خيط الأكتين نحو مركز النطاق A، وينفصل عنه، مُولِّدًا قوة (ضربة) للارتباط بجزيء الأكتين التالي. ^{[ 33 ]} وقد تم إثبات هذه الفكرة لاحقًا بالتفصيل، وهي تُعرف بشكل أدق بدورة الجسر المتقاطع . ^{[ 34 ]}