MIKROFLAMENTAI: YPATYBĖS, STRUKTŪRA, FUNKCIJOS, PATOLOGIJA - BIOLOGIJA - 2025

Kad mikrofilamentas arba aktino gijų, yra vienas iš trijų pagrindinių komponentų eukariotinių ląstelių (mikrofilamentas, mikrovamzdelius ir tarpinių gijų) citoskeleto ir yra sudarytas iš mažų gijų, kurių baltymo, vadinamo aktino (aktino polimerų).

Eukariotuose aktino mikrofilamentus koduojantys genai yra labai konservuoti visuose organizmuose, todėl jie dažnai naudojami kaip molekuliniai žymekliai įvairių rūšių tyrimams.

Padažytų ląstelių aktino gijų nuotrauka (šaltinis: Howardas Vindinas per „Wikimedia Commons“)

Mikrofilamentai yra pasiskirstę visame citozolyje, tačiau jų ypač gausu regione, esančiame po plazminės membranos, kur jie sudaro sudėtingą tinklą ir yra susieti su kitais specialiais baltymais, kad sudarytų citoskeleto pavidalą.

Žinduolių ląstelių citoplazmoje esančius mikrofilamentinius tinklus užkoduoja du iš šešių aktinui aprašytų genų, kurie dalyvauja mikrofilamentų dinamikoje ir yra net labai svarbūs kamieninių ląstelių diferenciacijos metu.

Daugelis autorių sutinka, kad mikropluoštai yra patys įvairiausi, universaliausi ir svarbiausi baltymai daugumos eukariotinių ląstelių citoskelete, todėl svarbu atsiminti, kad prokariotinių mikroorganizmų jų nėra.

Kita vertus, šio tipo ląstelėse yra gijų, kurios yra homologiškos mikrofilamentams, tačiau kurias sudaro kitas baltymas: MreB baltymas.

Manoma, kad šiuo metu baltymas, koduojantis šį baltymą, yra galimas aktino protėvių genas eukariotuose. Tačiau aminorūgščių, sudarančių MreB baltymą, sekos homologija aktino sekos atžvilgiu yra tik 15%.

Kadangi jie yra pagrindinė citoskeleto dalis, bet kokie fenotipiniai mikrotubulų ir tarpinių gijų bei aktino mikrofilamentų (citoskeleto) defektai gali sukelti skirtingas ląstelių ir sistemines patologijas.

Charakteristikos ir struktūra

Mikrofilamentai yra sudaryti iš aktinų šeimos baltymų monomerų, kurių eukariotinėse ląstelėse yra labai daug susitraukiančių baltymų, nes jie taip pat dalyvauja raumenų susitraukime.

Šių gijų skersmuo yra nuo 5 iki 7 nm, todėl jie taip pat žinomi kaip ploni gijos ir yra sudaryti iš dviejų formų aktino: rutulinės formos (G aktino) ir gijinės formos (F aktino).

Baltymai, dalyvaujantys citoskelete, yra žinomi kaip γ ir β aktinai, o tie, kurie dalyvauja susitraukime, dažniausiai yra α aktinai.

Rutulinio ir gijinio aktino dalis citozolyje priklauso nuo ląstelių poreikių, nes mikropluoštai yra labai kintamos ir universalios struktūros, kurios nuolat auga ir trumpėja polimerizacijos ir depolimerizacijos metu.

G aktinas yra nedidelis rutulinis baltymas, sudarytas iš beveik 400 aminorūgščių ir kurio molekulinė masė yra apie 43 kDa.

G-aktino monomerai, kurie sudaro mikrofilamentus, yra išdėstyti spiralinės vijos pavidalu, nes kiekvienas iš jų yra susisukęs, kai yra susijęs su kitu.

G aktinas asocijuojasi su viena Ca2 + ir kita ATP molekulėmis, kurios stabilizuoja jo rutulinę formą; tuo tarpu F-aktinas gaunamas hidrolizuojant ATP molekulės galinį fosfatą į G-aktiną, kuris prisideda prie polimerizacijos.

Organizacija

Aktino siūlai gali būti suskirstyti į „paketus“ arba „tinklus“, kurie ląstelėse turi skirtingas funkcijas. Rinkiniai sudaro lygiagrečias struktūras, sujungtas gana standžiais skersiniais tiltais.

Kita vertus, tinklai yra laisvesnės struktūros, pavyzdžiui, trimatės akys, turinčios pusiau kietų gelių savybes.

Yra daug baltymų, kurie asocijuojasi su aktino siūlais ar mikrofilamentais ir yra žinomi kaip ABP (aktiną surišantys baltymai), kurie turi tam tikras vietas.

Daugelis šių baltymų leidžia mikrofilamentams sąveikauti su kitais dviem citoskeleto komponentais: mikrotubuliais ir tarpiniais siūlais, taip pat su kitais komponentais, esančiais plazminės membranos vidiniame paviršiuje.

Kiti baltymai, kurie sąveikauja su mikrofilamentais, yra branduoliniai sluoksniai ir spetrinas (eritrocituose).

Kaip formuojami aktino siūlai?

Kadangi rutuliniai aktino monomerai visada jungiasi vienodai, orientuoti ta pačia kryptimi, mikrofilamenai turi apibrėžtą poliškumą, turėdami du galus: vieną „daugiau“ ir kitą „mažiau“.

Šių gijų poliškumas yra labai svarbus, nes jų teigiamas galas, kur pridedami nauji G-aktino monomerai, auga žymiai greičiau.

Grafinis aktino mikrofilamentų susidarymo vaizdas (Šaltinis: išvestinis darbas: Retama (aptarimas) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström per Wikimedia Commons)

Pirmas dalykas, kuris vyksta aktino gijų polimerizacijos metu, yra procesas, žinomas kaip „branduolys“, kurį sudaro trijų baltymo monomerų susiejimas.

Nauji monomerai pridedami prie šios trintuvo abiejuose galuose, kad gija išaugtų. G-aktino monomerai geba hidrolizuoti ATP su kiekvienu surišimu, o tai daro įtaką polimerizacijos greičiui, nes aktino-ATP fragmentai atsiskiria sunkiau nei aktino-ADP fragmentai.

ATP nėra būtina polimerizacijai, o specifinis jos hidrolizės vaidmuo dar nėra išaiškintas.

Kai kurie autoriai mano, kad kadangi aktino polimerizacijos įvykiai yra greitai grįžtami, su šiais procesais susijęs ATP gali sudaryti iki 40% visos šios energetinės molekulės apyvartos ląstelėse.

Reglamentas

Tiek aktino gijų polimerizacija, tiek jų depolimerizacija yra procesai, kuriuos labai kontroliuoja daugybė specifinių baltymų, atsakingų už gijų rekonstravimą.

Baltymų, reguliuojančių depolimerizaciją, pavyzdžiai yra aktino depolimerizacijos faktorius kofilinas. Kitas baltymas, profilinas, turi priešingą funkciją, nes stimuliuoja monomerų asociaciją (stimuliuodamas ADP mainus į ATP).

funkcijos

Mikrofilamentai sąveikauja su miozino siūlais, kurie yra siejami su transmembraniniais baltymais, kurių domenas yra citozolyje, o kitas - ląstelės išorėje, taigi dalyvauja ląstelių mobilumo procesuose.

Šie mikroflagmentai, susieti su plazmos membrana, tarpininkauja įvairioms ląstelių reakcijoms į skirtingų klasių dirgiklius. Pvz., Ląstelių adheziją epitelio audiniuose skatina transmembraniniai baltymai, vadinami kadherinais, kurie sąveikaudami su mikrofilamentais renkasi atsako faktorius.

Aktino siūlai sąveikauja su tarpiniais siūlais, sukeldami tarpląstelinius dirgiklius, kurie gali būti perduodami tokiose vietose kaip ribosomos ir chromosomos branduolyje.

Aktino mikrofilamentų tarpląstelinės motorinės funkcijos vaizdavimas (Šaltinis: Boumphreyfr per Wikimedia Commons)

Klasikinė ir gerai ištirta mikrofilamentų funkcija yra jų gebėjimas formuoti „tiltus“, „bėgius“ ar „greitkelius“ motorinio baltymo miozino I judėjimui, kuris gali krauti transportavimo pūsleles iš organelių į membraną plazma sekrecijos takuose.

Mikroflamentai taip pat sąveikauja su miozinu II, kad sudarytų susitraukiantį žiedą, kuris susidaro citokinezės metu, būtent paskutiniame ląstelių dalijimosi etape, kuriame citozolis yra atskirtas nuo kamieninių ir dukterinių ląstelių.

Apskritai, F-aktino mikrofilamenai moduliuoja kai kurių organelių, tokių kaip Golgi kompleksas, endoplazminis retikulumas ir mitochondrijos, pasiskirstymą. Be to, jie taip pat dalyvauja mRNR erdviniame padėties nustatyme, kad juos skaitytų ribosomos.

Visas ląstelių mikrofilamentų rinkinys, ypač tas, kuris yra glaudžiai susijęs su plazmos membrana, dalyvauja formuojant ląstelių, turinčių nuolatinį aktyvų judesį, bangas.

Jie taip pat dalyvauja formuojant mikrovidurius ir kitus įprastus iškilimus daugelio ląstelių paviršiuje.

Kepenų funkcijų pavyzdys

Mikroflamentai dalyvauja tulžies sekrecijos procese kepenų ląstelėse (kepenų ląstelėse) ir kepenų kanalų peristaltiniuose judesiuose (koordinuotas susitraukimas).

Jie prisideda prie plazmos membranų domenų diferenciacijos, nes yra sujungti su skirtingais citozoliniais elementais ir kontroliuoja šių ląstelių elementų topografiją.

Susijusios patologijos

Yra nedaug ligų, susijusių su pirminiais struktūros defektais arba su reguliuojančiais baltymais ir fermentais mikrofilamentų sintezėje, nepaisant to, kad jie tiesiogiai atlieka daugybę funkcijų.

Mažas ligų ir apsigimimų dažnis pirminėje mikrofilamentų struktūroje yra dėl to, kad paprastai yra daugybė genų, koduojančių aktiną ir jo reguliuojančius baltymus, reiškinį, vadinamą „genetiniu pertekliumi“.

Viena iš labiausiai tirtų patologijų yra kiaušidžių stiklėjimas ant jų citoskeleto, kur pastebimas žievės mikrofilamentų tinklo pertraukimas, taip pat mitozinio verpstės mikrotubulų depolimerizacija ir dezorganizacija.

Apskritai, šis stiklinimas sukelia chromosomų dispersiją, nes dėl to sutrinka viso chromatino tankinimas.

Ląstelės, kurių citoskeletas turi didesnį mikropluošto organizavimą ir proporciją, yra briaunoto raumens ląstelės, todėl dauguma patologijų yra susijusios su sutrikusio sutrikusio aparato veikimu.

Nepakankami ar netipiniai mikrofilamenai taip pat buvo siejami su kaulų liga, vadinama Paget'o liga.

Nuorodos

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., ir Vicente-Manzanares, M. (2017). Mikropluošto suderinta sukibimo dinamika skatina vienaląsčių migraciją ir formuoja ištisus audinius. F1000Tyrimas, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Aktiną surišantys baltymai: citoskeleto mikrofilamentų reguliavimas. Fiziologinės apžvalgos, 83 (2), 433–473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistabilumas sinchronizuojant įjungtus mikrofilamentus. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., ir Vacanti, JP (Red.). (2011). Audinių inžinerijos principai. Akademinė spauda.
5. Robbins, J. (2017). Citoskeleto ligos: desminopatijos. „Kardioskeletinės miopatijos vaikams ir jauniems suaugusiesiems“ (p. 173–192). Akademinė spauda.