Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Актиновый цитоскелет фибробластов эмбриона мыши , окрашенный флуоресцеинизотиоцианатом - фаллоидином

Микрофиламенты , называемые также актиновыми филаменты , являются белковыми волокнами в цитоплазме из эукариотических клеток , которые образуют часть цитоскелета . Они в основном состоят из полимеров с актином , но модифицированы и взаимодействовать с множеством других белков в клетке. Микрофиламенты обычно имеют диаметр около 7 нм и состоят из двух нитей актина. Функции микрофиламентов включают цитокинез , амебоидное движение , подвижность клеток , изменения формы клеток, эндоцитоз иэкзоцитоз , сократимость клеток и механическая стабильность. Микроволокна гибкие и относительно прочные, они сопротивляются короблению под действием многопиконьютонных сжимающих сил и разрушению нити под действием растягивающих усилий наноньютонов. Вызывая подвижность клеток , один конец актинового филамента удлиняется, в то время как другой конец сокращается, предположительно за счет молекулярных моторов миозина II . [1] Кроме того, они функционируют как часть управляемых актомиозином сократительных молекулярных моторов, в которых тонкие нити служат платформами растяжения для АТФ- зависимого тянущего действия миозина при сокращении мышц и псевдоножки.продвижение. Микрофиламенты имеют прочный и гибкий каркас, который помогает клетке двигаться. [2]

История [ править ]

Актиновые и опосредованные микрофиламентами процессы давно стали предметом исследований. Американско-немецкий ботаник Джордж Энгельманн (1879) предположил, что многие виды движений, наблюдаемые у растений и простейших, такие как поток цитоплазмы и амебоидные движения, на самом деле были примитивной версией движений сокращения мышц .

В 1930-х годах Сент-Дьёрдьи и его сотрудники, нарушив один из канонов биохимии , начали «изучать остаток вместо экстракта», то есть структурные белки, а не ферменты , что привело к множеству открытий, связанных с микрофиламентами. [3]

Организация [ править ]

Актиновые филаменты собираются в два основных типа структур: пучки и сети. Жгуты могут состоять из массивов полярных волокон, в которых все зазубренные концы указывают на один и тот же конец жгута, или неполярных массивов, где зазубренные концы указывают в сторону обоих концов. Класс актин-связывающих белков , называемых перекрестно-связывающими белками, определяет формирование этих структур. Сшивающие белки определяют ориентацию филаментов и расстояние в пучках и сетях. Эти структуры регулируются многими другими классами актин-связывающих белков, включая моторные белки, белки ветвления, разделяющие белки, промоторы полимеризации и кэпирующие белки.

В пробирке самосборки [ править ]

Измерение примерно 6 нм в диаметре , [4] микрофиламентов являются тонкие волокна цитоскелета. Они являются полимерами из актиновых субъединиц (шаровой актин, или G-актин), который , как части волокна, называется нитчатым актином, или F-актином. Каждое микрофиламент состоит из двух спиральных переплетенных нитей субъединиц. Актиновые филаменты, как и микротрубочки , поляризованы. Электронные микрофотографии свидетельствуют об их быстрорастущих зазубринах и медленно растущих заостренных концах. Эта полярность определялась узором, созданным привязкойфрагментов миозина S1: они сами являются субъединицами более крупного белкового комплекса миозина II . Заостренный конец обычно называют концом с минусом (-), а конец с зазубринами называют концом с плюсом (+).

Полимеризация актина или зародышеобразование in vitro начинается с самоассоциации трех мономеров G-актина с образованием тримеров . Затем связанный с АТФ актин сам связывает зазубренный конец, и впоследствии АТФ гидролизуется . Гидролиз АТФ происходит за половину времени около 2 секунд [5], в то время как полупериод диссоциации неорганического фосфата составляет около 6 минут. [5] Это автокатализируемое событие снижает силу связывания между соседними субъединицами и, таким образом, в целом дестабилизирует филамент. В естественных условияхПолимеризация актина катализируется классом молекулярных моторов, отслеживающих концы филаментов, известных как актоклампины . Последние данные свидетельствуют о том, что скорость гидролиза АТФ и скорость включения мономера сильно связаны.

Впоследствии АДФ- актин медленно диссоциирует с заостренного конца, и этот процесс значительно ускоряется актин-связывающим белком, кофилином . АДФ-связанный кофилин разделяет богатые АДФ регионы, ближайшие к (-) - концам. При высвобождении свободный мономер актина медленно диссоциирует от АДФ, который, в свою очередь, быстро связывается со свободным АТФ, диффундирующим в цитозоле , тем самым образуя мономерные единицы АТФ-актин, необходимые для дальнейшего удлинения нити с зазубринами. Этот быстрый оборот важен для движения клетки. Концевые белки, такие как CapZ, предотвращают добавление или потерю мономеров на конце филамента, где оборот актина неблагоприятен, например, в мышечном аппарате.

Полимеризация актина вместе с кэппирующими белками недавно была использована для контроля трехмерного роста белковой нити с целью создания трехмерных топологий, полезных в технологии и создании электрических межсоединений. Электропроводность достигается путем металлизации трехмерной структуры белка. [6] [7]

Механизм генерации силы [ править ]

В результате гидролиза АТФ нити удлиняются на своих зазубренных концах примерно в 10 раз быстрее, чем заостренные. В установившемся режиме скорость полимеризации на зазубренном конце соответствует скорости деполимеризации на заостренном конце, и микроволокна называются беговыми . Беговая дорожка приводит к удлинению зазубренного конца и сокращению заостренного конца, так что нить полностью перемещается. Поскольку оба процесса энергетически выгодны, это означает, что генерируется сила, энергия в конечном итоге поступает от АТФ. [1]

Актин в клетках [ править ]

Сборка и разборка актинового цитоскелета внутриклеточно регулируются клеточными сигнальными механизмами. Многие системы передачи сигналов используют актиновый цитоскелет в качестве каркаса, удерживая их на внутренней поверхности периферической мембраны или рядом с ней . Это субклеточное расположение обеспечивает немедленную реакцию на действие трансмембранного рецептора и результирующий каскад ферментов обработки сигналов.

Поскольку мономеры актина должны быть переработаны для поддержания высоких показателей подвижности на основе актина во время хемотаксиса , считается, что передача клеточных сигналов активирует кофилин, белок деполимеризации актиновых филаментов, который связывается с богатыми АДФ субъединицами актина, ближайшими к заостренному концу филамента, и способствует фрагментации филаментов. с сопутствующей деполимеризацией для высвобождения мономеров актина. В большинстве клеток животных мономерный актин связан с профилином и тимозином бета-4., оба из которых предпочтительно связываются со стехиометрией один к одному с АТФ-содержащими мономерами. Хотя тимозин бета-4 является строго секвеструющим мономером белком, поведение профилина гораздо сложнее. Профилин усиливает способность мономеров к сборке, стимулируя обмен АДФ, связанного с актином, на АТФ в фазе раствора с образованием актин-АТФ и АДФ. Профилин переносится на передний край за счет своего сайта связывания PIP 2 , и он использует свой сайт связывания поли-L-пролина для стыковки с белками, отслеживающими концы. После связывания профилин-актин-АТФ загружается в сайт встраивания мономера в моторы актоклампина.

Другой важный компонент в формировании филамента - это комплекс Arp2 / 3 , который связывается со стороной уже существующего филамента (или «материнской нити»), где он зарождается, формируя новую дочернюю нить под углом 70 градусов относительно материнской нить накала, создавая веерообразную разветвленную сеть волокон. [8]

Специализированные уникальные актиновые цитоскелетные структуры находятся рядом с плазматической мембраной. Четыре замечательных примера включают эритроциты , эмбриональные клетки почек человека , нейроны и сперматозоиды . В эритроцитах гексагональная решетка спектрин- актин образована взаимосвязанными короткими актиновыми филаментами. [9] В эмбриональных клетках почек человека кортикальный актин образует фрактальную структуру без масштабов . [10] В аксонах нейронов актин образует периодические кольца, которые стабилизируются спектрином и аддуцином. [11] [12] А в сперме млекопитающих актин образуетспиралевидная структура в средней части, т. е. в первом сегменте жгутика . [13]

Связанные белки [ править ]

В немышечных клетках актиновые филаменты образуются проксимальнее поверхности мембраны. Их образование и оборот регулируются многими белками, в том числе:

  • Белок, отслеживающий конец филамента (например, формины , VASP , N-WASP )
  • Нить-нуклеатор, известный как комплекс Actin-Related Protein-2/3 (или Arp2 / 3 )
  • Сшивающие филаменты (например, α-актинин, фасцин и фимбрин )
  • Белки, связывающие мономер актина, профилин и тимозин β4
  • Укупорочные средства с зазубринами на концах нити, такие как Capping Protein и CapG и т . Д.
  • Белки, разрывающие нити, такие как гельзолин .
  • Белки, деполимеризующие актин, такие как ADF / кофилин .

Сеть актиновых филаментов в немышечных клетках очень динамична. Сеть актиновых филаментов устроена так, что зазубренный конец каждой филамента прикреплен к периферической мембране клетки с помощью электродвигателей удлинения зажатых волокон, вышеупомянутых "актоклампинов", образованных из зазубренного конца волокна и зажимающего белка (формины , VASP, Mena, WASP и N-WASP). [14] Первичным субстратом для этих моторов удлинения является комплекс профилин-актин-АТФ, который непосредственно переносится на удлиняющиеся концы филаментов. [15] Заостренный конец каждой нити ориентирован внутрь клетки. В случае ламеллиподиального роста комплекс Arp2 / 3 генерирует разветвленную сеть, а в филоподиях образуется параллельный массив филаментов.

Актин действует как трек для моторики миозина [ править ]

Миозиновые двигатели - это внутриклеточные АТФ-зависимые ферменты, которые связываются с актиновыми филаментами и перемещаются по ним. Миозиновые двигатели разных классов ведут себя по-разному, включая создание напряжения в клетке и транспортировку грузовых пузырьков.

Предлагаемая модель - актоклампины отслеживают концы волокон [ править ]

Одна предложенная модель предполагает существование молекулярных моторов актиновых филаментов, отслеживающих зазубрины за концом, называемых «актоклампином». [16] Предлагаемые актоклампины генерируют движущие силы, необходимые для основанной на актине подвижности ламеллиподий , филоподий , инвадиподий, дендритных шипов , внутриклеточных пузырьков и подвижных процессов при эндоцитозе , экзоцитозе , формировании подосом и фагоцитозе . Моторы Actoclampin также продвигают такие внутриклеточные патогены, как Listeria monocytogenes , Shigella flexneri , Vacciniaи Риккетсия . Собранные в подходящих условиях, эти отслеживающие концы молекулярные двигатели могут также перемещать биомиметические частицы.

Термин актоклампин происходит от слова acto - для обозначения участия актиновой нити, как в актомиозине, и зажима для обозначения зажимного устройства, используемого для усиления гибких / движущихся объектов и для надежного закрепления двух или более компонентов, за которым следует суффикс - in чтобы указать его белковое происхождение. Таким образом, белок, отслеживающий концы актинового филамента, можно назвать зажимом.

Дикинсон и Пурих признали, что быстрый гидролиз АТФ может объяснить силы, возникающие во время актиновой подвижности. [14] Они предложили простую механоферментную последовательность, известную как модель Lock, Load & Fire, в которой белок, отслеживающий концы, остается плотно связанным («заблокированным» или зажатым) на конце одной субфиламента двухцепочечного актина. нить. После связывания с Glycyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-Prolyl-регистрами на белках-трекерах, Профилин-АТФ-актин доставляется («загружается») к незажатому концу другого субфиламента, после чего АТФ внутри уже зажатой концевой субъединицы другого субфрагмента гидролизуется («запускается»), обеспечивая энергию, необходимую для высвобождения этого плеча концевого трекера, который затем может связывать другой профилин-АТФ-актин, чтобы начать новый раунд добавления мономера .

Включенные шаги [ править ]

Следующие шаги описывают один цикл генерации силы молекулярного мотора актоклампина:

  1. Кофактор полимеризации профилин и АТФ · актин объединяются с образованием комплекса профилин-АТФ-актин, который затем связывается с блоком отслеживания концов.
  2. Кофактор и мономер переносятся на зазубренный конец актиновой уже зажатой нити.
  3. Блок слежения и кофактор диссоциируют от соседнего протофиламента на стадии, которой может способствовать энергия гидролиза АТФ для модуляции сродства кофактора и / или блока слежения к нити; и этот механоферментный цикл затем повторяется, начиная на этот раз с другого участка роста субфиламентов.

При работе с преимуществом гидролиза АТФ двигатели переменного тока генерируют силы на каждую нить накала 8–9 пН, что намного больше, чем предел для каждой нити в 1-2 пН для двигателей, работающих без гидролиза АТФ. [14] [16] [17] Термин «актоклампин» является общим и применяется ко всем молекулярным моторам, отслеживающим концы актиновых филаментов, независимо от того, активно ли они управляются АТФ-активируемым механизмом или пассивно.

Некоторые актоклампины (например, те, которые включают белки Ena / VASP, WASP и N-WASP), по-видимому, требуют инициации филаментов, опосредованной Arp2 / 3, для образования ядра полимеризации актина , которое затем «загружается» на конечный трекер, прежде чем может начаться процессивная подвижность . Для создания нового филамента Arp2 / 3 требуется "материнский" филамент, мономерный АТФ-актин и активирующий домен из Listeria ActA или области VCA N-WASP. Комплекс Arp2 / 3 связывается со стороной материнской нити, образуя Y-образную ветвь, имеющую угол 70 градусов по отношению к продольному направлению.ось материнской нити. Затем после активации ActA или VCA комплекс Arp, как полагают, претерпевает серьезные конформационные изменения, в результате чего две его белковые субъединицы, связанные с актином, достаточно близко друг к другу, чтобы образовались новые ворота филаментов. Вопрос о том, может ли гидролиз АТФ потребоваться для зародышеобразования и / или высвобождения Y-ветви, активно исследуется.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б Roberts K, M, Рафф Alberts B, P, Walter Lewis J, Johnson A (март 2002 г.). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Рутледж. п. 1616. ISBN 0-8153-3218-1.
  2. ^ Gunning PW, Ghoshdastider U Уитакер S, D Попп, Robinson RC (июнь 2015). «Эволюция композиционно и функционально различных актиновых филаментов» . Журнал клеточной науки . 128 (11): 2009–19. DOI : 10,1242 / jcs.165563 . PMID 25788699 . 
  3. ^ Уэйн R (2009). Биология клетки растений: от астрономии к зоологии . Амстердам: Elsevier / Academic Press. п. 151. ISBN. 9780080921273.
  4. ↑ Fuchs E, Cleveland DW (январь 1998 г.). «Структурный каркас из промежуточных волокон в здоровье и болезни». Наука . 279 (5350): 514–9. DOI : 10.1126 / science.279.5350.514 . PMID 9438837 . 
  5. ^ a b Поллард Т. Д., Эрншоу В. Д. (2004). Клеточная биология (Первое изд.). САУНДЕРЫ. ISBN 978-1-4160-2388-3.
  6. ^ Галланд Р, Р Ледюка, Герена С, D Перад, Blanchoin л, Thery М (май 2013 г. ). «Изготовление трехмерных электрических соединений посредством направленной самоорганизации актина». Материалы природы . 12 (5): 416–21. DOI : 10.1038 / nmat3569 . PMID 23396247 . 
  7. ^ Патент США US 9070702, Метод получения трехмерных структур актина и их использование, Жан-Кристоф Габриэль, Лоран Бланшуан, Мануэль Тери, Реми Галланд
  8. ↑ Mullins RD, Heuser JA, Pollard TD (май 1998 г.). «Взаимодействие комплекса Arp2 / 3 с актином: зародышеобразование, кэппирование заостренных концов с высоким сродством и образование разветвленных сетей филаментов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (11): 6181–6. DOI : 10.1073 / pnas.95.11.6181 . PMC 27619 . PMID 9600938 .  
  9. ^ Гохин, Дэвид С .; Фаулер, Велия М. (май 2016 г.). "Feisty filaments: динамика актина в скелете мембраны красных кровяных телец" . Текущее мнение в гематологии . 23 (3): 206–214. DOI : 10,1097 / MOH.0000000000000227 . ISSN 1065-6251 . PMC 4966542 . PMID 27055045 .   
  10. ^ Sadegh, Sanaz; Хиггинс, Дженни Л .; Маннион, Патрик С .; Тамкун, Михаил М .; Крапф, Диего (09.03.2017). «Плазменная мембрана отделена самоподобной кортикальной сеткой актина» . Physical Review X . 7 (1): 011031. DOI : 10,1103 / PhysRevX.7.011031 . ISSN 2160-3308 . PMC 5500227 . PMID 28690919 .   
  11. ^ Сюй, К .; Чжун, G .; Чжуан, X. (25 января 2013 г.). «Актин, спектрин и ассоциированные белки образуют периодическую цитоскелетную структуру в аксонах» . Наука . 339 (6118): 452–456. DOI : 10.1126 / science.1232251 . ISSN 0036-8075 . PMC 3815867 . PMID 23239625 .   
  12. ^ Д'Эсте, Элиза; Камин, Дирк; Гёттферт, Фабиан; Эль-Хади, Ахмед; Ад, Стефан В. (март 2015 г.). "STED-наноскопия выявляет повсеместность периодичности подкоркового цитоскелета в живых нейронах" . Сотовые отчеты . 10 (8): 1246–1251. DOI : 10.1016 / j.celrep.2015.02.007 . PMID 25732815 . 
  13. ^ Gervasi, Мария G .; Сюй, Синьрань; Карбахал-Гонсалес, Бланка; Буффоне, Мариано Дж .; Висконти, Пабло Э .; Крапф, Диего (2018-06-01). «Актиновый цитоскелет жгутика сперматозоидов мыши имеет спиральную структуру» . Журнал клеточной науки . 131 (11): jcs215897. DOI : 10,1242 / jcs.215897 . ISSN 0021-9533 . PMC 6031324 . PMID 29739876 .   
  14. ^ a b c Дикинсон РБ, Пурич DL (январь 2007 г.). «Подвижность сперматозоидов нематод: неполярная полимеризация филаментов, опосредованная двигателями отслеживания концов» . Биофизический журнал . 92 (2): 622–31. DOI : 10.1529 / biophysj.106.090472 . PMC 1751402 . PMID 17056726 .  
  15. ^ Dickinson RB, Southwick FS, Purich DL (октябрь 2002). «Модель полимеризации с прямым переносом объясняет, как множественные сайты связывания с профилином в моторе актоклампина способствуют быстрой подвижности на основе актина». Архивы биохимии и биофизики . 406 (2): 296–301. DOI : 10.1016 / s0003-9861 (02) 00212-6 . PMID 12361718 . 
  16. ^ a b Дикинсон РБ, Каро Л., Пурич Д.Л. (октябрь 2004 г.). «Генерация силы белками, отслеживающими концы филаментов цитоскелета» . Биофизический журнал . 87 (4): 2838–54. DOI : 10.1529 / biophysj.104.045211 . PMC 1304702 . PMID 15454475 .  
  17. ^ Dickinson RB, Purich DL (август 2006). «Ограничения скорости диффузии в актиновом движении твердых и деформируемых частиц» . Биофизический журнал . 91 (4): 1548–63. DOI : 10.1529 / biophysj.106.082362 . PMC 1518650 . PMID 16731556 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Микрофиламенты в медицинских предметных рубриках Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
  • Микрофиламент + белки в медицинских предметных рубриках Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
  • « Микрофиламент » в Медицинском словаре Дорланда