МИКРОФИЛАМЕНТЫ: ХАРАКТЕРИСТИКА, СТРОЕНИЕ, ФУНКЦИИ, ПАТОЛОГИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

В микрофиламентах или актиновые филаменты, являются одним из трех основных компонентов цитоскелета эукариотических клеток (микрофиламентов, микротрубочек и промежуточных филаментов) и состоят из мелких волокон белка , названного актин (актиновых полимеров).

У эукариот гены, кодирующие актиновые микрофиламенты, высоко консервативны у всех организмов, поэтому их часто используют в качестве молекулярных маркеров для исследований различного рода.

Фотография актиновых нитей окрашенной клетки (Источник: Говард Виндин через Wikimedia Commons)

Микрофиламенты распределены по всему цитозолю, но их особенно много в области под плазматической мембраной, где они образуют сложную сеть и связываются с другими специальными белками, образуя цитоскелет.

Сети микрофиламентов в цитоплазме клеток млекопитающих кодируются двумя из шести генов, описанных для актина, которые участвуют в динамике микрофиламентов и даже очень важны во время дифференцировки стволовых клеток.

Многие авторы согласны с тем, что микрофиламенты являются наиболее разнообразными, универсальными и важными белками в цитоскелете большинства эукариотических клеток, и важно помнить, что они не обнаруживаются у прокариотических микроорганизмов.

С другой стороны, в клетках этого типа есть филаменты, гомологичные микрофиламентам, но состоящие из другого белка: белка MreB.

В настоящее время считается, что ген, кодирующий этот белок, является возможным наследственным геном актина у эукариот. Однако гомология последовательностей аминокислот, составляющих белок MreB, составляет только 15% по отношению к последовательности актина.

Поскольку они являются фундаментальной частью цитоскелета, любой фенотипический дефект как в микротрубочках, так и в промежуточных филаментах и ​​актиновых микрофиламентах (цитоскелете) может вызывать различные клеточные и системные патологии.

Характеристики и состав

Микрофиламенты состоят из мономеров белков семейства актина, которые представляют собой очень распространенные сократительные белки в эукариотических клетках, поскольку они также участвуют в сокращении мышц.

Эти филаменты имеют диаметр от 5 до 7 нм, поэтому они также известны как тонкие филаменты и состоят из двух форм актина: глобулярной формы (G-актин) и нитевидной формы (F-актин).

Белки, которые участвуют в цитоскелете, известны как γ- и β-актины, тогда как те, которые участвуют в сокращении, обычно являются α-актинами.

Доля глобулярного актина и нитевидного актина в цитозоле зависит от клеточных потребностей, поскольку микрофиламенты представляют собой очень вариабельные и универсальные структуры, которые постоянно растут и укорачиваются в результате полимеризации и деполимеризации.

G-актин - это небольшой глобулярный белок, состоящий почти из 400 аминокислот с молекулярной массой около 43 кДа.

Мономеры G-актина, из которых состоят микрофиламенты, расположены в форме спиральной нити, так как каждая из них претерпевает скручивание при соединении со следующей.

G-актин связывается с одной молекулой Са2 + и другой молекулой АТФ, которые стабилизируют его глобулярную форму; в то время как F-актин получается после гидролиза концевого фосфата молекулы АТФ в G-актин, который способствует полимеризации.

организация

Нити актина могут быть организованы в «пучки» или «сети», которые выполняют различные функции внутри клеток. Жгуты образуют параллельные конструкции, соединенные довольно жесткими поперечными перемычками.

С другой стороны, сети представляют собой более рыхлые структуры, подобные трехмерным сеткам со свойствами полутвердых гелей.

Есть много белков, которые связаны с актиновыми филаментами или микрофиламентами и известны как ABP (актин-связывающие белки), у которых есть специфические сайты для них.

Многие из этих белков позволяют микрофиламентам взаимодействовать с двумя другими компонентами цитоскелета: микротрубочками и промежуточными филаментами, а также с другими компонентами на внутренней стороне плазматической мембраны.

Другие белки, с которыми взаимодействуют микрофиламенты, включают ядерные пластинки и спектрин (в красных кровяных тельцах).

Как образуются актиновые филаменты?

Поскольку глобулярные мономеры актина всегда связываются одинаково и ориентированы в одном направлении, микрофиламенты имеют определенную полярность с двумя концами: один «больше» и один «меньше».

Полярность этих нитей очень важна, поскольку они растут значительно быстрее на своем положительном конце, куда добавляются новые мономеры G-актина.

Графическое представление образования актиновых микрофиламентов (Источник: производная работа: Retama (обсуждение) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström через Wikimedia Commons)

Первое, что происходит во время полимеризации актиновых филаментов, - это процесс, известный как «зародышеобразование», который состоит из ассоциации трех мономеров белка.

Новые мономеры добавляются к этому тримеру с обоих концов, так что нить растет. Мономеры G-актина способны гидролизовать АТФ при каждом связывании, что влияет на скорость полимеризации, поскольку фрагменты актин-АТФ диссоциируют с большей трудностью, чем фрагменты актин-АДФ.

АТФ не требуется для полимеризации, и конкретная роль его гидролиза еще не выяснена.

Некоторые авторы считают, что, поскольку события полимеризации актина быстро обратимы, АТФ, связанный с этими процессами, может составлять до 40% от общего клеточного обмена этой энергичной молекулы.

регулирование

И полимеризация актиновых филаментов, и их деполимеризация - это процессы, строго регулируемые рядом специфических белков, которые ответственны за ремоделирование филаментов.

Примерами белков, регулирующих деполимеризацию, являются кофилин, фактор деполимеризации актина. Другой белок, профилин, выполняет противоположную функцию, поскольку он стимулирует ассоциацию мономеров (стимулируя обмен АДФ на АТФ).

Характеристики

Микрофиламенты взаимодействуют с миозиновыми филаментами, которые связаны с трансмембранными белками, которые имеют один домен в цитозоле, а другой - снаружи клетки, таким образом участвуя в процессах клеточной подвижности.

Эти микрофиламенты, связанные с плазматической мембраной, опосредуют различные клеточные реакции на разные классы стимулов. Например, клеточная адгезия в эпителиальных тканях управляется трансмембранными белками, известными как кадгерины, которые взаимодействуют с микрофиламентами, чтобы задействовать факторы ответа.

Актиновые филаменты взаимодействуют с промежуточными филаментами, вызывая передачу внеклеточных стимулов в ключевые места, такие как рибосомы и хромосомы внутри ядра.

Представление внутриклеточной моторной функции актиновых микрофиламентов (Источник: Boumphreyfr через Wikimedia Commons)

Классической и хорошо изученной функцией микрофиламентов является их способность образовывать «мосты», «рельсы» или «дороги» для движения моторного белка миозина I, который способен загружать транспортные везикулы от органелл к мембране. плазма в секреторных путях.

Микрофиламенты также взаимодействуют с миозином II, чтобы установить сократительное кольцо, которое образуется во время цитокинеза, именно во время последней стадии деления клеток, на которой цитозоль отделяется от стволовых и дочерних клеток.

В целом, микрофиламенты F-актина модулируют распределение некоторых органелл, таких как комплекс Гольджи, эндоплазматический ретикулум и митохондрии. Кроме того, они также участвуют в пространственном расположении мРНК, так что они читаются рибосомами.

Весь клеточный набор микрофиламентов, особенно тесно связанных с плазматической мембраной, участвует в формировании волнообразных мембран клеток, которые имеют постоянное активное движение.

Они также участвуют в образовании микроворсинок и других обычных бугорков на поверхности многих клеток.

Пример функций печени

Микрофиламенты участвуют в процессе секреции желчи в гепатоцитах (клетках печени), а также в перистальтических движениях (скоординированном сокращении) печеночных канальцев.

Они вносят вклад в дифференцировку доменов плазматической мембраны благодаря их ассоциации с различными цитозольными элементами и контролю, который они оказывают на топографию этих внутриклеточных элементов.

Сопутствующие патологии

Заболеваний, связанных с первичными дефектами в структуре или с регуляторными белками и ферментами в синтезе микрофиламентов, немного, несмотря на то, что они напрямую участвуют в большом количестве функций.

Низкая частота заболеваний и пороков развития первичной структуры микрофиламентов объясняется тем, что, как правило, существует несколько генов, кодирующих как актин, так и его регуляторные белки, явление, известное как «генетическая избыточность».

Одна из наиболее изученных патологий - витрификация ооцитов на их цитоскелете, при котором наблюдается нарушение сети кортикальных микрофиламентов, а также деполимеризация и дезорганизация микротрубочек митотического веретена.

В общем, это витрификация вызывает хромосомную дисперсию, поскольку приводит к нарушению уплотнения всего хроматина.

Клетки, которые имеют большую организацию и долю микрофиламентов в своем цитоскелете, являются клетками поперечно-полосатой мышцы, поэтому большая часть патологий связана с нарушением работы сократительного аппарата.

Дефектные или атипичные микрофиламенты также связаны с заболеванием костей, известным как болезнь Педжета.

Ссылки

1. Агилар-Куэнка, Р., Льоренте-Гонсалес, К., Висенте, К., и Висенте-Мансанарес, М. (2017). Координируемая микрофиламентами динамика адгезии управляет миграцией отдельных клеток и формирует целые ткани. F1000Research, 6.
2. Дос Ремедиос, К.Г., Чхабра, Д., Кекич, М., Дедова, И.В., Цубакихара, М., Берри, Д.А., и Носуорти, штат Нью-Джерси (2003). Актин-связывающие белки: регуляция микрофиламентов цитоскелета. Physiological Reviews, 83 (2), 433-473.
3. Го, Х., Фаучи, Л., Шелли, М., и Кансо, Э. (2018). Бистабильность при синхронизации задействованных микрофиламентов. Журнал гидромеханики, 836, 304-323.
4. Ланца Р., Лангер Р. и Ваканти Дж. П. (ред.). (2011). Принципы тканевой инженерии. Академическая пресса.
5. Роббинс, Дж. (2017). Заболевания цитоскелета: десминопатии. В кардиоскелетных миопатиях у детей и подростков (стр. 173-192). Академическая пресса.