MIKROŠĶIEDRAS: RAKSTUROJUMS, STRUKTŪRA, FUNKCIJAS, PATOLOĢIJA - BIOLOĢIJA - 2025

The microfilaments vai aktīna pavedieni, ir viens no trim galvenajām sastāvdaļām ANOTĀCIJA Šūnas skelets eikariotu šūnās (microfilaments, mikrotubuļos un starpproduktu pavedieni) un sastāv no mazām pavedieniem proteīnu, ko sauc aktīna (aktīna polimēru).

Eukariotos gēni, kas kodē aktīna mikrofilamenus, ir ļoti konservēti visos organismos, tāpēc tos bieži izmanto kā molekulāros marķierus dažāda veida pētījumiem.

Fotoattēls ar iekrāsotu šūnu aktīna pavedieniem (Avots: Hovards Vindins caur Wikimedia Commons)

Mikrošķiedras tiek izplatītas visā citosolā, bet tās ir īpaši bagātīgas reģionā, kas atrodas zem plazmas membrānas, kur tās veido sarežģītu tīklu un asociējas ar citiem īpašiem proteīniem, veidojot citoskeletu.

Mikrofilamentu tīklus zīdītāju šūnu citoplazmā kodē divi no sešiem aktīnam aprakstītajiem gēniem, kas ir iesaistīti mikrofilamentu dinamikā un ir pat ļoti svarīgi cilmes šūnu diferenciācijas laikā.

Daudzi autori ir vienisprātis, ka mikrofilamenti ir visdaudzveidīgākie, daudzpusīgākie un svarīgākie proteīni vairuma eikariotu šūnu citoskeletā, un ir svarīgi atcerēties, ka tie nav sastopami prokariotu mikroorganismos.

No otras puses, šāda veida šūnās ir pavedieni, kas ir homologi ar mikrofilamentiem, bet kurus veido cits proteīns: MreB proteīns.

Pašlaik tiek uzskatīts, ka gēns, kas kodē šo olbaltumvielu, ir iespējams senča aktīns gēnā eikariotos. Tomēr aminoskābju, kas veido MreB olbaltumvielu, secības homoloģija ir tikai 15% attiecībā uz aktīna secību.

Tā kā tie ir būtiska citoskeleta sastāvdaļa, jebkurš fenotipa defekts gan mikrotubulēs, gan starpposma pavedienos un aktīna mikrošķiedros (citoskelets) var izraisīt dažādas šūnu un sistēmiskās patoloģijas.

Raksturojums un uzbūve

Mikrošķiedras veido aktīnu ģimenes olbaltumvielu monomēri, kas ir ļoti bagātīgi kontraktilie proteīni eikariotu šūnās, jo tie arī piedalās muskuļu kontrakcijās.

Šo pavedienu diametrs ir no 5 līdz 7 nm, tāpēc tos sauc arī par plāniem pavedieniem, un tos veido divas aktīna formas: globulārā forma (G aktīns) un pavedienveida forma (F aktīns).

Olbaltumvielas, kas piedalās citoskeletonā, ir zināmas kā γ un β aktiīni, savukārt tie, kas piedalās kontrakcijā, parasti ir α aktiīni.

Globulārā aktīna un pavedienveida aktīna īpatsvars citosolā ir atkarīgs no šūnu vajadzībām, jo ​​mikrofilamenti ir ļoti mainīgas un daudzpusīgas struktūras, kuras nepārtraukti aug un saīsinās polimerizācijas un depolimerizācijas rezultātā.

G aktīns ir mazs globular proteīns, kas sastāv no gandrīz 400 aminoskābēm un kura molekulmasa ir aptuveni 43 kDa.

G-aktīna monomēri, kas veido mikrošķiedras, ir izkārtoti spirālveida šķipsnas formā, jo katrs no tiem tiek savīti, kad saistīti ar nākamo.

G aktīns asociējas ar vienu Ca2 + molekulu un otru ar ATP, kas stabilizē tā globālo formu; savukārt F-aktīns tiek iegūts pēc ATP molekulas terminālā fosfāta hidrolīzes par G-aktīnu, kas veicina polimerizāciju.

Organizācija

Aktīna pavedienus var sakārtot "saišķos" vai "tīklos", kuriem šūnās ir dažādas funkcijas. Paketes veido paralēlas struktūras, kuras savieno diezgan stingri krustveida tilti.

Tīkli, no otras puses, ir vaļīgākas struktūras, piemēram, trīsdimensiju acis ar daļēji cietu gēlu īpašībām.

Ir daudz olbaltumvielu, kas asociējas ar aktīna pavedieniem vai mikrošķiedrām un ir zināmas kā ABP (aktīnu saistošie proteīni), kurām ir īpašas vietas.

Daudzi no šiem proteīniem ļauj mikrofilamentam mijiedarboties ar diviem citiem citoskeleta komponentiem: mikrotubulēm un starpposma pavedieniem, kā arī ar citiem komponentiem plazmas membrānas iekšējā virsmā.

Citas olbaltumvielas, ar kurām mikrofilamenti mijiedarbojas, ietver kodola slāņus un spetrīnu (eritrocītos).

Kā veidojas aktīna pavedieni?

Tā kā globālie aktīna monomēri vienmēr saistās vienādi, orientēti tajā pašā virzienā, mikrofilameniem ir noteikta polaritāte ar diviem galiem: vienu "vairāk" un otru "mazāk".

Šo pavedienu polaritāte ir ļoti svarīga, jo to pozitīvajā galā, kur pievienoti jaunie G-aktīna monomēri, tie aug ievērojami ātrāk.

Aktīna mikrošķiedru veidošanās grafiskais attēlojums (Avots: atvasināts darbs: Retama (diskusija) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström, izmantojot Wikimedia Commons)

Pirmā lieta, kas notiek aktīna pavedienu polimerizācijas laikā, ir process, kas pazīstams kā “nukleācija” un kas sastāv no trīs olbaltumvielu monomēru asociācijas.

Šim trimerim abos galos pievieno jaunus monomērus, lai kvēldiegs augtu. G-aktīna monomēri spēj hidrolizēt ATP ar katru saistīšanos, kas ietekmē polimerizācijas ātrumu, jo aktīna-ATP fragmenti disociējas ar lielākām grūtībām nekā aktīna-ADP fragmenti.

ATP nav nepieciešams polimerizācijai, un tās hidrolīzes īpašā loma vēl nav noskaidrota.

Daži autori uzskata, ka, tā kā aktīna polimerizācijas notikumi ir ātri atgriezeniski, ar šiem procesiem saistītais ATP var radīt līdz 40% no šīs enerģētiskās molekulas kopējā aprites šūnā.

Regula

Gan aktīna pavedienu polimerizācija, gan to depolimerizācija ir procesi, ko stingri regulē virkne specifisku olbaltumvielu, kas ir atbildīgas par pavedienu pārveidošanu.

Olbaltumvielu piemēri, kas regulē depolimerizāciju, ir aktīna depolimerizācijas faktors kofilīns. Citam proteīnam, profilīnam, ir pretēja funkcija, jo tas stimulē monomēru asociāciju (stimulējot ADP apmaiņu pret ATP).

Iespējas

Mikrošķiedras mijiedarbojas ar miozīna pavedieniem, kas ir saistīti ar transmembranālajiem proteīniem, kuriem ir domēns citosolā un cits šūnas ārpuses, tādējādi piedaloties šūnu mobilitātes procesos.

Šie ar plazmas membrānu saistītie mikrofilamenti mediē dažādas šūnu reakcijas uz dažādu stimulu klasēm. Piemēram, šūnu adhēziju epitēlija audos veicina transmembranālie proteīni, kas pazīstami kā kadherīni, kuri mijiedarbojas ar mikrofilameniem, lai piesaistītu reakcijas faktorus.

Aktīna pavedieni mijiedarbojas ar starpposma pavedieniem, izraisot ārpusšūnu stimulu pārnešanu uz galvenajām vietām, piemēram, ribosomām un hromosomām kodolā.

Aktīna mikrofilamentu intracelulārās motorās funkcijas attēlojums (Avots: Boumphreyfr caur Wikimedia Commons)

Klasiska un labi izpētīta mikrofilamentu funkcija ir to spēja veidot "tiltus", "sliedes" vai "automaģistrāles" motorā proteīna miozīna I pārvietošanai, kas spēj ielādēt transporta pūslīšus no organelliem uz membrānu plazma sekrēcijas ceļos.

Mikrošķiedras mijiedarbojas arī ar miozīnu II, lai izveidotu saraušanās gredzenu, kas veidojas citokinēzes laikā, tieši šūnu dalīšanas pēdējā posmā, kurā citosols tiek atdalīts no cilmes un meitas šūnām.

Kopumā F-aktīna mikrofilamenti modulē dažu organellu, piemēram, Golgi kompleksa, endoplazmas retikuluma un mitohondriju, izplatību. Turklāt viņi arī piedalās mRNS telpiskajā pozicionēšanā, lai tos nolasītu ribosomas.

Viss šūnu mikrofilamentu komplekts, īpaši tie, kas ir cieši saistīti ar plazmas membrānu, piedalās tādu šūnu viļņveida membrānu veidošanā, kurām ir pastāvīga aktīva kustība.

Viņi ir iesaistīti arī mikroviļņu un citu parasto izciļņu veidošanā uz daudzu šūnu virsmas.

Funkciju piemērs aknās

Mikrofilamenti piedalās žults sekrēcijas procesā hepatocītos (aknu šūnās), kā arī aknu kanāliju peristaltiskajās kustībās (koordinēta kontrakcija).

Viņi veicina plazmas membrānas domēnu diferenciāciju, pateicoties to saistībai ar dažādiem citozola elementiem un kontrolei, ko viņi veic pār šo starpšūnu elementu topogrāfiju.

Saistītās patoloģijas

Mikrošķiedru sintēzē ir maz slimību, kas saistītas ar primāriem struktūras defektiem vai ar regulējošiem proteīniem un fermentiem, neskatoties uz to, ka tie ir tieši iesaistīti daudzās funkcijās.

Zemais slimību un malformāciju biežums mikrofilamentu primārajā struktūrā ir saistīts ar faktu, ka parasti ir vairāki gēni, kas kodē gan aktīnu, gan tā regulējošos proteīnus - parādību, kas pazīstama kā “ģenētiskā atlaišana”.

Viena no visvairāk izpētītajām patoloģijām ir olšūnu stiklēšana uz to citoskeletu, kur tiek novērots pārtraukums garozas mikrofilamentu tīklā, kā arī mitotiskās vārpstas mikrotubulu depolimerizācija un dezorganizācija.

Vispārīgi runājot, šī stiklināšanās izraisa hromosomu izkliedi, jo tā izraisa visu hromatīna sablīvēšanos.

Šūnas, kurām ir lielāka mikrošķiedru organizācija un proporcija to citoskeletonā, ir šķērssvītrotā muskuļa šūnas, tāpēc lielākā daļa patoloģiju ir saistītas ar kontraktilā aparāta darbības traucējumiem.

Bojāti vai netipiski mikrofilamenti ir bijuši saistīti arī ar kaulu slimību, kas pazīstama kā Pedžeta slimība.

Atsauces

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., & Vicente-Manzanares, M. (2017). Mikrošķiedru koordinēta adhēzijas dinamika virza vienšūnu migrāciju un veido veselus audus. F1000Pētījums, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Aktīnus saistošie proteīni: citoskeleta mikrofilamentu regulēšana. Fizioloģiskie pārskati, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistabilitāte aktivizētu mikrofilamentu sinhronizācijā. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (Red.). (2011). Audu inženierijas principi. Akadēmiskā prese.
5. Robbins, J. (2017). Citoskeleta slimības: dezinopatijas. Kardioskeleta miopātijās bērniem un jauniem pieaugušajiem (173.-192. Lpp.). Akadēmiskā prese.