טיטין – בולם הזעזועים של השרירים

לשרירים מבנה היררכי מורכב אשר חוצה מספר סקלות של גודל. שריר טיפוסי מורכב ממיליוני “יחידות כיווץ”, סרקומרים, המחוברים באופן טורי ליצירת מיקרו-סיביים דקים וארוכים. מיקרו-סיבים אלה מאוגדים יחד ליצירת סיבי שריר. גודלו של סרקומר בודד הינו כמיקרון (מאית מקוטר שערה), והוא מייצר כוח על ידי פעולתם של מנועים מולקולרים קטנטנים.

Titin

טיטין הינו חלבון המתפקד כקפיץ מולקולרי בסרקומרים (יחידת הכיווץ הבסיסית של השריר). הוא תורם להעברת כוח בין סרקומרים, ומגביל את טווח ההתארכות שלהם במתיחה. לכן, לטיטין תפקיד מרכזי בשמירה על השלמות המבנית של הסרקומר, ובצמצום נזקים מיקרוסקופיים לשריר עקב פעילות בה השריר נמתח כנגד עומס (פעילות אקצנטרית). ההתקדמות הטכנולוגית בשנים האחרונות איפשרה פיתוח שיטות מדידה חדשניות אשר בעזרתן מדענים מסוגלים למדוד כוחות ושינויי אורך של מולקולת טיטין בודדת. נמצא כי חלבון הטיטין מורכב מכ- 240 תתי-מבנה ייחודיים המקופלים בצורה קומפקטית. הפעלת כוח מתיחה על הטיטין גורמת לפתיחה של תתי-מבנה אלו אחד אחר השני. אלו אף מתקפלים בחזרה למצבם המקורי כאשר מפסיקים את הפעלת העומס. לאחרונה הועלתה השערה כי תתי אזורים אלו משמשים כבולמי זעזועים של הסרקומר.

אלמנט מבני דו-יציב הוא מכניזם בעל שתי קונפיגורציות שיווי משקל יציבות עבור אותו עומס חיצוני. דוגמה קלאסית למכניזם כזה מובאת באיור 1 למטה. בהיבט המכני, מולקולת הטיטין היא בעצם שרשרת של אלמנטים דו-יציבים המחוברים אחד לשני. עבור אורך כולל נתון של המולקולה, קיימים מספר מצבי שיווי משקל אפשריים. יחד עם זאת, כאשר טיטין נמתח, אינטראקציה עם מולקולות המים שבסביבה צפויה לגרום למערכת לעקוב אחרי מסלול מינימום אנרגיה שבו האנרגיה של המערכת נשמרת. אבל, בשביל לשמש כבולם זעזועים חייב להיות שחרור אנרגיה משמעותי מן המערכת. אם כך, נשאלת השאלה הכיצד ייתכן שטיטין משמש בולם זעזועים?

במאמר שפורסם לאחרונה במגזין Applied Physics Letters , דר. ספי גבלי ואיתמר בנישו מקבוצת המחקר ביומכניקה ומידול מרובה-סקלות תוקפים את הבעיה, ומראים כי יעילותו של חלבון הטיטין כבולם זעזועים נובעת מאופטימיזציה של מספר האלמנטים הדו-יציבים מהם הוא מורכב  בשילוב עם גודל מולקולת הטיטין. אופטמיזציה מדהימה מסוג זה אינה יכולה להיות מקרית, אלא תוצר של אבולוציה רבת שנים.

 

Figure 1: A simple bi-stable mechanis

איור 1: דוגמה למכניזם דו-יציב. למערכת שלמעלה יש שני מצבי שיווי משקל יציבים עבור אותו עומס. (a) במצב הראשון שני המוטות נוטים כלפי מעלה והקפיץ לחוץ. (b) במצב השני שני המוטות נוטים כלפי מטה והקפיץ מתוח.