The “Roll and Lock” Mechanism of Force Generation in Muscle

SummaryMuscle force results from the interaction of the globular heads of myosin-II with actin filaments. We studied the structure-function relationship in the myosin motor in contracting muscle fibers by using temperature jumps or length steps combined with time-resolved, low-angle X-ray diffraction. Both perturbations induced simultaneous changes in the active muscle force and in the extent of labeling of the actin helix by stereo-specifically bound myosin heads at a constant total number of attached heads. The generally accepted hypothesis assumes that muscle force is generated solely by tilting of the lever arm, or the light chain domain of the myosin head, about its catalytic domain firmly bound to actin. Data obtained suggest an additional force-generating step: the “roll and lock” transition of catalytic domains of non-stereo-specifically attached heads to a stereo-specifically bound state. A model based on this scheme is described to quantitatively explain the data

The myosin interacting-heads motif present in live tarantula muscle explains tetanic and posttetanic phosphorylation mechanisms

Striated muscle contraction involves sliding of actin thin filaments along myosin thick filaments, controlled by calcium through thin filament activation. In relaxed muscle, the two heads of myosin interact with each other on the filament surface to form the interacting-heads motif (IHM). A key question is how both heads are released from the surface to approach actin and produce force. We used time-resolved synchrotron X-ray diffraction to study tarantula muscle before and after tetani. The patterns showed that the IHM is present in live relaxed muscle. Tetanic contraction produced only a very small backbone elongation, implying that mechanosensing-proposed in vertebrate muscle-is not of primary importance in tarantula. Rather, thick filament activation results from increases in myosin phosphorylation that release a fraction of heads to produce force, with the remainder staying in the ordered IHM configuration. After the tetanus, the released heads slowly recover toward the resting, helically ordered state. During this time the released heads remain close to actin and can quickly rebind, enhancing the force produced by posttetanic twitches, structurally explaining posttetanic potentiation. Taken together, these results suggest that, in addition to stretch activation in insects, two other mechanisms for thick filament activation have evolved to disrupt the interactions that establish the relaxed helices of IHMs: one in invertebrates, by either regulatory light-chain phosphorylation (as in arthropods) or Ca(2+)-binding (in mollusks, lacking phosphorylation), and another in vertebrates, by mechanosensing

Strong binding of myosin heads stretches and twists the actin helix

AbstractCalculation of the size of the power stroke of the myosin motor in contracting muscle requires knowledge of the compliance of the myofilaments. Current estimates of actin compliance vary significantly introducing uncertainty in the mechanical parameters of the motor. Using x-ray diffraction on small bundles of permeabilized fibers from rabbit muscle we show that strong binding of myosin heads changes directly the actin helix. The spacing of the 2.73-nm meridional x-ray reflection increased by 0.22% when relaxed fibers were put into low-tension rigor (<10kN/m2) demonstrating that strongly bound myosin heads elongate the actin filaments even in the absence of external tension. The pitch of the 5.9-nm actin layer line increased by ∼0.62% and that of the 5.1-nm layer line decreased by ∼0.26%, suggesting that the elongation is accompanied by a decrease in its helical angle (∼166°) by ∼0.8°. This effect explains the difference between actin compliance revealed from mechanical experiments with single fibers and from x-ray diffraction on whole muscles. Our measurement of actin compliance obtained by applying tension to fibers in rigor is consistent with the results of mechanical measurements

Why Muscle is an Efficient Shock Absorber

Copyright: © 2014 Ferenczi et al. Skeletal muscles power body movement by converting free energy of ATP hydrolysis into mechanical work. During the landing phase of running or jumping some activated skeletal muscles are subjected to stretch. Upon stretch they absorb body energy quickly and effectively thus protecting joints and bones from impact damage. This is achieved because during lengthening, skeletal muscle bears higher force and has higher instantaneous stiffness than during isometric contraction, and yet consumes very little ATP. We wish to understand how the actomyosin molecules change their structure and interaction to implement these physiologically useful mechanical and thermodynamical properties. We monitored changes in the low angle x-ray diffraction pattern of rabbit skeletal muscle fibers during ramp stretch compared to those during isometric contraction at physiological temperature using synchrotron radiation. The intensities of the off-meridional layer lines and fine interference structure of the meridional M3 myosin x-ray reflection were resolved. Mechanical and structural data show that upon stretch the fraction of actin-bound myosin heads is higher than during isometric contraction. On the other hand, the intensities of the actin layer lines are lower than during isometric contraction. Taken together, these results suggest that during stretch, a significant fraction of actin-bound heads is bound non-stereo-specifically, i.e. they are disordered azimuthally although stiff axially. As the strong or stereo-specific myosin binding to actin is necessary for actin activation of the myosin ATPase, this finding explains the low metabolic cost of energy absorption by muscle during the landing phase of locomotion.The work was funded by the Russian Foundation for Basic Research (RFBR) grants 11-04-00908 to A.K.T. and 11-04-00750 to S.Y.B., by the Presidium of the Russian Academy of Sciences to S.Y.B., by the Medical Research Council (UK) G0501704 to M.A.F, by an EBSA Travel Fellowship to G.V.K., and by a Royal Society Travel award to N.A.K. and A.K.T

FRET characterisation for cross-bridge dynamics in single-skinned rigor muscle fibres

In this work we demonstrate for the first time the use of Förster resonance energy transfer (FRET) as an assay to monitor the dynamics of cross-bridge conformational changes directly in single muscle fibres. The advantage of FRET imaging is its ability to measure distances in the nanometre range, relevant for structural changes in actomyosin cross-bridges. To reach this goal we have used several FRET couples to investigate different locations in the actomyosin complex. We exchanged the native essential light chain of myosin with a recombinant essential light chain labelled with various thiol-reactive chromophores. The second fluorophore of the FRET couple was introduced by three approaches: labelling actin, labelling SH1 cysteine and binding an adenosine triphosphate (ATP) analogue. We characterise FRET in rigor cross-bridges: in this condition muscle fibres are well described by a single FRET population model which allows us to evaluate the true FRET efficiency for a single couple and the consequent donor–acceptor distance. The results obtained are in good agreement with the distances expected from crystallographic data. The FRET characterisation presented herein is essential before moving onto dynamic measurements, as the FRET efficiency differences to be detected in an active muscle fibre are on the order of 10–15% of the FRET efficiencies evaluated here. This means that, to obtain reliable results to monitor the dynamics of cross-bridge conformational changes, we had to fully characterise the system in a steady-state condition, demonstrating firstly the possibility to detect FRET and secondly the viability of the present approach to distinguish small FRET variations

Samme intensjon om barnets beste, men ulikt formidlet synene på barn og barndom i Russland og Norge? : komparativ dokumentanalyse av russiske og norske barnehageplaner med formål å forstå hvordan de formidler synene på barn og barndom

Problemområdet Temaet for oppgaven er veldig sammensatt og berører flere ulike perspektiver og teorier som belyser problemstillingen. Tittel på forsiden gir generell forestilling om tema. Det er flere perspektiver og teorier som jeg har tatt med, derfor trenges det nærmere presisering og avgrensning av oppgavens fokus. Tittelen peker i retning av analyse av syn på barn og barndom i russiske og norske utdanningsdokumenter for barnehage ut fra deres egne sosiopolitiske barnehagekontekster og i lys av læreplanteoretiske og didaktiske perspektiver. Allerede her i formulering av tema på forsiden viser jeg kort til avgrensning i oppgaven. Nivået dokumentene befinner seg på viser til fokus for valg av perspektiver og metodiske tilnærming for analysen. Dette fokus og valg av relevante teorier er basert på oppgavens problemstilling og avgrensning til det formelle analysenivået. Det gjør analysen konkret og presis, men viser kun til ”samfunnets samlede” grunnsyn på barn slik det kan tolkes ut fra dokumentene i barnehagene i begge land. Dette er aktuelt er for flere aktører og på flere nivåer innen barnehagesektorene. Det har mest betydning på samfunnsnivået, generelt sett på hvordan de barna som bruker barnehage som pedagogisk tilbud for familier, selv om det vil være forskjeller på personlig nivå. De målsetningene og innholdsvalg som formidles er ulikt formulert, men viser lignende intensjon om å sikre ”barnets beste” muligheter innen den livslange lærings perspektiv i barnehagen som 1. ledd av utdanningssystem. Livslange lærings perspektiv er overordnet perspektiv i oppgavens tolkningskontekst. Hensikten med denne oppgaven har nettopp vært å synliggjøre de ulikhetene i forståelse og formidling av ”barnets beste” prinsippet i sine dokumenter for barnehagesektor ut fra dette perspektivet. Begge lands grunnsyn ble preget av det prinsippet. Jeg har fokusert på å se om synene på barn som er så ulikt formulert, mulig ved nærmere analyse, er mer like om sine generelle intensjoner og helhetlige tilnærmingen på barn enn det ser ut med første øyekast. Metodiske perspektiver Ut fra oppgavens tema, fokus og avgrensning er det naturlig at hovedmetoden er en komparativ dokumentanalyse av utdanningspolitiske dokumenter for barnehage i Russland og Norge. De naturlige ulikheter som skyldes deres egne sosiopolitiske kontekster gjorde plandokumentene noe ulike på flere områder. Denne konteksten og samtidsperspektiv ligger til grunn for analysen og forklarer ulike måter å formulere synene på barn ut fra deres sosiopolitiske forutsetninger. De betingelsene eller kontekstene for analysen er så ulike at jeg måtte prioritere enkelte kriterier for å avgrense sammenligning på en rettferdig måte og unngå at det ikke skulle bli for stort. I den prosessen har jeg tatt hensyn til ulike påvirkingsforhold i Russland og Norge og konstruerte analyseskjema slik at begge planene har blitt analysert ut fra samme kriterier. Min tokulturelle bakgrunn gir mulighet å finne sammenligningsbære kriterier for å sidestille punkter som belyser problemstillingen på best mulig måte. Det russiske programmet er mindre kjent her i landet og derfor forklarer jeg litt mer flere momenter fra russiske barnehagekontekster parallelt med mer kjente aspekter innen den norske konteksten. Jeg har valgt å bruke Goodlads begrepsteori både innen avgrensning og for å strukturere analysen og finne sammenligningskriterier. Kriteriene var brukt for å utarbeide analyseskjema. Enkelte kriteriene var nedprioritert på grunnlag av deres relevans og evner å belyse forskjeller i formidling av synene på barn. Begge planene var analysert ut fra deres egne sosiopolitiske barnehagekontekster og samme analyseskjema med kritisk blikk og i lys av norske læreplanteoretiske og didaktiske perspektiver. Parallelt var også russiske tilsvarende teorier vist til for å vise forskjeller mer tydelig. De teoretiske perspektivene var brukt både for å sette opp hoved- og delkriterier for analyseskjema og stille relevante spørsmål innen hvert kriterium i skjemaet. De var også brukt for å drøfte relevante forskjeller. Dokumentanalyse som metode i komparativ perspektiv satt premisser og gitt analytiske verktøy. Metoden hjalp meg å løse problemene ved analytisk karakter i måter å tolke politiske tekster. Jeg har også brukt noen av teknikker fra teksttolkning som helhets- og delanalysen for å få helhetlig forståelse av de to tekstene. Den første handler om meningsanalysen for å få helhetlig oversikt over plandokumentene, mens den andre handler om innholdsanalysen for å se språklige formuleringer og strukturelle deler av planene. Jeg vekslet mellom de to teknikkene for å se samsvar mellom helhetlige bilde tekstene har gitt i forhold til analysen av formuleringer innen de didaktiske kategoriene. Mest relevant var kategori - målsetninger, herfra tolket jeg uttrykk om syn på barn og barndom. Samtidig sidestilte jeg to helhetlige, didaktiske tenkninger som var relevante for å forstå helhetlige tilnærming og rammene for tolkning og realisering av planene på lavere beslutningsnivåer. Den generelle delen i begge barnehageplanene har gitt meg svarene på de viktigste spørsmålene. Kilder For å kunne svare på problemstillingen, har jeg brukt ulike typer kilder: både primære og sekundære. Metode i oppgaven er dokumentanalyse av to dokumenter for barnehage, derfor de to plandokumentene for barnehage: rammeplanen og programmet (begge utgitt i 2006) er mine primære kilder. Noen av andre overordnede dokumenter som vises til deres status og funksjoner er også brukt som primære kilder i den grad det relevant i forhold til tema. Noen av de dokumentene er på russisk og finnes på russiske nettsider. De kan være både som primære kilder som overordnet regulerer barnehagevirksomhet i Russland og som sekundære når de reflekterer vitenskapelig forskning, bruker de data for å sette statlige standarder for utforming av nye programmer for barnehage. Det teoretiske grunnlaget består av teorier om læreplanfelt, didaktikk, om lek, om barnehage og dens egenart. De teoriene er både fra norske fagbøker og russiske kilder blant annet nettsider om nyeste sosiopolitiske situasjon i Russland. Generelt sett har jeg brukt norske faglige teorier, men i tillegg har presentert også russiske teorier eller perspektiver om samme punktet, men som er tilpasset og presentert litt annerledes i russiske førskolepedagogiske faglige bøker. Det viser betydning av å ta hensyn til ulike sosiopolitiske kontekster som overordnet påvirket teoretiske perspektiver innen læreplanforståelse og didaktiske teorier. De bøkene om førskolepedagogiske og læreplanteoretiske perspektiver er mine sekundære kilder. Ofte gir de eksempler fra selve planene eller lovene eller andre mer praktiske nivåer der det er aktuelt. Andre type sekundære kilder jeg brukte i analysen og for min egen drøftning var andre pedagogenes meninger og tolkning av de utvalgte analysetekstene, mest den norske rammeplanen. Fokuset varierte i de bidragene og var preget av kulturelle forskjeller. De norske artikler handlet om vid handlingsfrihet av tolkning av det politiske språket. Det brukte jeg for å styrke mine tolkninger av norske rammeplanen. Jeg brukte lignende tankemåte for å analysere selve det russiske programmet på tilsvarende måte grunnet mangel på lignende tolkninger, meninger om programmet. Russiske bidragene brukte jeg i mindre grad. Oversettelse var enten direkte ord for ord eller kontekstuelt grunnet ulikt innhold og vektlegging i viktige kulturelle og pedagogiske begreper. Hovedkonklusjoner Fokus i tema og aktuelle problemstillinger i oppgavens komparative analyse avgrenset både forskningsprosess og resultater for undersøkelsen. Avgrensning til analyse av planene på formelle nivå har visst andre forskjeller enn forskning på lavere praksis nivåer. Det innebærer at de synene som var analysert viser bare hvordan og hvilke av de samfunnspolitiske (ideologisk-politiske) ideer kom til uttrykk i de nasjonale, skrevne planene. På den måten er resultatene gyldige kun på sitt sosiopolitiske beslutningsnivå. Realisering av planene i praksis, meninger og holdninger av aktører på lavere beslutningsnivåer kan vise til andre forskningsresultater i forståelse av syn på barn. Analyse av grunnleggende ideer bak de synene (helhetlig syn og humanistisk syn på barn) har vist at de utrykk av synene på barn er generelt sett like i sin intensjon for ”sikre barnas beste” oppvekst, men formuleringer om dette er samfunnsmessig betinget, brukt ulike begreper og på to ulike språk. Uansett de ideologiske forskjellene i utformingsmåten, egne pedagogiske tradisjoner og didaktiske prioriteringer nærmer planene seg hverandre eller mot midten fra sine ytterpunkter. De generelle tendenser er spesielt tydelig etter begge land ratifiserte FNs konvensjon om barns rettigheter. Konvensjonen påvirket flere områder ved barns liv, men her i for oppgaven spesielt aktuelt dets prinsippet om ”barnets beste” som var tolket og brukt ulikt blant annet i egne dokumenter for barnehagesektor. Endringer og nye tendenser etter 1989 for barnehage preget realisering av dette prinsippet i begge land i de nye dokumentene for barnehage. Denne felles overordnede påvirkningen gjorde planene mer like, selv om dette er formidlet med ulike begreper og med ulike detaljeringsgrader. Begge de nye planene viser generell tendens til å se barn som subjekter og barndom som fase med egenverdi i livslange læringsperspektiv. Det er felles grunnlag i utviklingspsykologisk forskning, men ulike tradisjoner i å legge vekt på de dataresultater i konkret didaktisk planlegging. Begge planene har funnet balansegang i holdninger og barn og deres barndom. Voksnes aktive tilretteleggende rolle har blitt mer viktig i Norge ut fra sin holdning om barndom som ”fri fra voksnes styring” periode. Derimot er voksnes tilretteleggende rolle blitt mindre dominerende og formidlende i Russland, vises tendenser mot endring av tradisjonell holdning om barndom som ”å forberede til livet” periode til friere barns livsvilkår. Viktighet for ”å ruste” barn for livet senere, skoleforberedelse er like aktuelt i begge land. Samtidig er det aspektet mer balansert med å ta være på barndommens erfaringer og opplevelsene. Det er lignende generelle tendenser i den balansegang, men litt ulike formuleringer om hvordan dette uttrykt og kan bli tolket ut fra de ”sammensatte” formuleringer. Uansett forskjellene i handlingsrommet de dokumentene setter for barnehage personalet, er lignende intensjoner om å sikre ”barnets beste” vilkår i livslang lærings perspektiv

Direct modeling of x-ray diffraction pattern from skeletal muscle in rigor.

Available high-resolution structures of F-actin, myosin subfragment 1 (S1), and their complex, actin-S1, were used to calculate a 2D x-ray diffraction pattern from skeletal muscle in rigor. Actin sites occupied by myosin heads were chosen using a "principle of minimal elastic distortion energy" so that the 3D actin labeling pattern in the A-band of a sarcomere was determined by a single parameter. Computer calculations demonstrate that the total off-meridional intensity of a layer line does not depend on disorder of the filament lattice. The intensity of the first actin layer A1 line is independent of tilting of the "lever arm" region of the myosin heads. Myosin-based modulation of actin labeling pattern leads not only to the appearance of the myosin and "beating" actin-myosin layer lines in rigor diffraction patterns, but also to changes in the intensities of some actin layer lines compared to random labeling. Results of the modeling were compared to experimental data obtained from small bundles of rabbit muscle fibers. A good fit of the data was obtained without recourse to global parameter search. The approach developed here provides a background for quantitative interpretation of the x-ray diffraction data from contracting muscle and understanding structural changes underlying muscle contraction

The Fraction of Myosin Motors That Participate in Isometric Contraction of Rabbit Muscle Fibers at Near-Physiological Temperature

The duty ratio, or the part of the working cycle in which a myosin molecule is strongly attached to actin, determines motor processivity and is required to evaluate the force generated by each molecule. In muscle, it is equal to the fraction of myosin heads that are strongly, or stereospecifically, bound to the thin filaments. Estimates of this fraction during isometric contraction based on stiffness measurements or the intensities of the equatorial or meridional x-ray reflections vary significantly. Here, we determined this value using the intensity of the first actin layer line, A1, in the low-angle x-ray diffraction patterns of permeable fibers from rabbit skeletal muscle. We calibrated the A1 intensity by considering that the intensity in the relaxed and rigor states corresponds to 0% and 100% of myosin heads bound to actin, respectively. The fibers maximally activated with Ca2+ at 4°C were heated to 31–34°C with a Joule temperature jump (T-jump). Rigor and relaxed-state measurements were obtained on the same fibers. The intensity of the inner part of A1 during isometric contraction compared with that in rigor corresponds to 41–43% stereospecifically bound myosin heads at near-physiological temperature, or an average force produced by a head of ∼6.3 pN