MIKROFILAMENTIT: OMINAISUUDET, RAKENNE, TOIMINNOT, PATOLOGIA - BIOLOGIA - 2025

Mikrofilamenteista tai aktiinisäikeiden, ovat yksi kolmesta solun tukirangan komponentteja eukaryoottisten solujen (Mikrofilamenttien mikrotubuluksiin ja välifilamenttejä) ja ne koostuvat pienistä filamenteista kutsutun proteiinin aktiini (aktiini polymeerit).

Eukaryooteissa aktiinimikrokuituja koodaavat geenit ovat erittäin konservoituneita kaikissa organismeissa, minkä vuoksi niitä käytetään usein molekyylimarkkereina erilaisissa tutkimuksissa.

Valokuva värjätyn solun aktiinifilamenteista (Lähde: Howard Vindin Wikimedia Commonsin kautta)

Mikrofilamentit jakautuvat koko sytosoliin, mutta niitä on erityisen runsaasti plasmamembraanin alla olevalla alueella, missä ne muodostavat monimutkaisen verkon ja yhdistyvät muihin erityisiin proteiineihin muodostaen sytoskeleton.

Nisäkässolujen sytoplasmassa olevia mikrofilamenttiverkkoja koodaa kaksi aktiinille kuvatuista kuudesta geenistä, jotka osallistuvat mikrosäteiden dynamiikkaan ja ovat jopa erittäin tärkeitä kantasolujen erilaistumisen aikana.

Monet kirjoittajat ovat yhtä mieltä siitä, että mikrofilamentit ovat monimuotoisimpia, monipuolisimpia ja tärkeimpiä proteiineja useimpien eukaryoottisolujen sytoskeletonissa, ja on tärkeätä muistaa, että näitä ei löydy prokaryoottisissa mikro-organismeissa.

Toisaalta tämän tyyppisissä soluissa on säikeitä, jotka ovat homologisia mikrofilamenteille, mutta jotka koostuvat toisesta proteiinista: MreB-proteiinista.

Tällä hetkellä tätä proteiinia koodaavan geenin ajatellaan olevan mahdollinen aktiinin esi-isägeeni eukaryooteissa. MreB-proteiinin muodostavien aminohappojen sekvenssihomologia on kuitenkin vain 15% aktiinisekvenssiin nähden.

Koska ne ovat olennainen osa sytoskeletonia, kaikki fenotyyppiset viat sekä mikrotubuleissa että välifilamenteissa ja aktiinimikrokuituissa (sytoskeleton) voivat aiheuttaa erilaisia ​​solu- ja systeemisiä patologioita.

Ominaisuudet ja rakenne

Mikrofilamentit koostuvat aktiiniperheen proteiinimonomeereistä, jotka ovat erittäin runsaasti supistuvia proteiineja eukaryoottisoluissa, koska ne osallistuvat myös lihasten supistumiseen.

Näiden filamenttien halkaisija on välillä 5–7 nm, minkä vuoksi niitä kutsutaan myös ohuiksi filamenteiksi, ja ne koostuvat kahdesta aktiinimuodosta: pallomaisesta muodosta (G-aktiini) ja rihmamuodosta (F-aktiinista).

Proteiinit, jotka osallistuvat sytoskeletoniin, tunnetaan y- ja β-aktiineina, kun taas proteiinit, jotka osallistuvat supistukseen, ovat yleensä α-aktiineja.

Globaalisen aktiinin ja rihallisen aktiinin osuus sytosolista riippuu solutarpeista, koska mikrosäikeet ovat erittäin muuttuvia ja monipuolisia rakenteita, jotka kasvavat jatkuvasti ja lyhenevät polymeroitumisen ja depolymerisaation myötä.

G-aktiini on pieni globaali proteiini, joka koostuu lähes 400 aminohaposta ja jonka molekyylipaino on noin 43 kDa.

Mikrofilamentit muodostavat G-aktiinimonomeerit on järjestetty spiraalisen juosteen muodossa, koska jokainen käy läpi kiertymisen liittyessään seuraavaan.

G-aktiini assosioituu Ca2 +: n ja toisen ATP: n molekyylin kanssa, jotka stabiloivat sen globaalin muodon; kun taas F-aktiini saadaan ATP-molekyylin terminaalisen fosfaatin hydrolyysin jälkeen G-aktiiniksi, mikä myötävaikuttaa polymeroitumiseen.

organisaatio

Aktiinilangat voidaan organisoida "kimppuiksi" tai "verkkoiksi", joilla on eri toiminnot soluissa. Niput muodostavat yhdensuuntaiset rakenteet, jotka yhdistetään melko jäykillä poikkisillalla.

Verkot puolestaan ​​ovat löysämpiä rakenteita, kuten kolmiulotteiset silmät, joilla on puolijähmeät geelit.

On monia proteiineja, jotka yhdistyvät aktiinifilamentteihin tai mikrofilamentteihin ja joita kutsutaan nimellä ABP (aktiinia sitovat proteiinit), joilla on sitä varten erityiset kohdat.

Monet näistä proteiineista sallivat mikrofilamenttien olla vuorovaikutuksessa sytoskeleton kahden muun komponentin kanssa: mikrotubulusten ja välifilamenttien kanssa, samoin kuin muiden plasmakompleksin sisäpuolella olevien komponenttien kanssa.

Muita proteiineja, joiden kanssa mikrofilamentit ovat vuorovaikutuksessa, ovat ydinlaminaatit ja spetrtriini (punasoluissa).

Kuinka aktiinilangat muodostuvat?

Koska globaalit aktiinimonomeerit sitoutuvat aina samalla tavalla, samaan suuntaan suuntautuneina, mikrosäikeillä on määritelty napaisuus, jolla on kaksi päätä: yksi "enemmän" ja toinen "vähemmän".

Näiden filamenttien polaarisuus on erittäin tärkeä, koska ne kasvavat huomattavasti nopeammin positiivisessa päässäan, johon lisätään uusia G-aktiinimonomeerejä.

Aktiinimikrokuitujen muodostumisen graafinen esitys (Lähde: johdannaisteos: Retama (keskustelu) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström Wikimedia Commonsin kautta)

Ensimmäinen asia, joka tapahtuu aktiinifilamenttien polymeroinnin aikana, on "nukleisaatio" -niminen menetelmä, joka koostuu proteiinin kolmen monomeerin yhdistymisestä.

Uudet monomeerit lisätään tähän trimmeriin molemmissa päissä, niin että filamentti kasvaa. G-aktiinimonomeerit kykenevät hydrolysoimaan ATP: n jokaisella sitoutumisella, jolla on vaikutusta polymeroitumisnopeuteen, koska aktiini-ATP-osat dissosioituvat vaikeammin kuin aktiini-ADP-osat.

ATP ei ole tarpeen polymeroinnissa, ja sen hydrolyysin spesifistä roolia ei ole vielä selvitetty.

Jotkut kirjoittajat katsovat, että koska aktiinipolymerointitapahtumat ovat nopeasti palautuvia, näihin prosesseihin liittyvä ATP voi edustaa jopa 40% tämän energisen molekyylin kokonaisesta solumyynnistä.

Säätö

Sekä aktiinfilamenttien polymerointia että niiden depolymerointia säätelevät prosessit, joita spesifiset proteiinit sarjassa säätelevät, jotka vastaavat filamenttien uudelleenmuodostamisesta.

Esimerkkejä proteiineista, jotka säätelevät depolymerointia, ovat aktiinin depolymerointitekijä kofiliini. Toisella proteiinilla, profiliinilla, on päinvastainen tehtävä, koska se stimuloi monomeerien assosiaatiota (stimuloimalla ADP: n vaihtoa ATP: lle).

ominaisuudet

Mikrofilamentit ovat vuorovaikutuksessa myosiinifilamenttien kanssa, jotka liittyvät transmembraanisiin proteiineihin, joilla on domeeni sytosolissa ja toisessa solun ulkopinnassa, ja osallistuvat siten solun liikkuvuuden prosesseihin.

Nämä plasmamembraaniin liittyvät mikrohihnat välittävät erilaisia ​​solun reaktioita ärsykkeiden eri luokkiin. Esimerkiksi soluadheesiota epiteelikudoksissa ohjaa kadheriineiksi kutsutut kalvon läpäisevät proteiinit, jotka ovat vuorovaikutuksessa mikrokuitujen kanssa rekrytoidakseen vastetekijöitä.

Aktiinifilamentit ovat vuorovaikutuksessa välifilamenttien kanssa aiheuttaen solunulkoisten ärsykkeiden siirtymisen keskeisiin kohtiin, kuten ribosomit ja kromosomit ytimessä.

Aktiinimikrokuitujen solunsisäisen motorisen toiminnan esitys (Lähde: Boumphreyfr Wikimedia Commonsin kautta)

Mikrofilamenttien klassinen ja hyvin tutkittu tehtävä on niiden kyky muodostaa "siltoja", "kiskoja" tai "moottoriteitä" moottoriproteiini myosiini I: n liikkumista varten. Kyseinen laite pystyy lataamaan kuljetusrakkuloita organeloleista kalvoon plasma erittymisreiteillä.

Mikrofilamentit ovat myös vuorovaikutuksessa myosiini II: n kanssa muodostamaan supistuvan renkaan, joka muodostuu sytokiineen aikana, juuri solunjakautumisen viimeisessä vaiheessa, jossa sytosoli on erotettu kantasoluista ja tytärsoluista.

Yleensä F-aktiinimikrofilamentit moduloivat joidenkin organelleiden, kuten Golgi-kompleksin, endoplasmisen retikulumin ja mitokondrioiden jakautumista. Lisäksi ne osallistuvat myös mRNA: iden spatiaaliseen sijoittamiseen siten, että ribosomit lukevat ne.

Koko solutasoinen mikrokuitujen joukko, erityisesti ne, jotka liittyvät läheisesti plasmamembraaniin, osallistuu solujen aaltoilevien kalvojen muodostumiseen, joilla on jatkuva aktiivinen liike.

Ne osallistuvat myös mikrovillien ja muiden yleisten kuoppien muodostumiseen monien solujen pinnalle.

Esimerkki maksan toiminnoista

Mikrofilamentit osallistuvat sapen erittymiseen maksasoluissa (maksasoluissa) ja myös maksakanavien peristaltisissa liikkeissä (koordinoitu supistuminen).

Ne myötävaikuttavat plasmamembraanidomeenien erilaistumiseen ansiosta, että ne yhdistyvät erilaisiin sytosolisiin elementteihin ja niiden suorittamaan kontrolliin näiden solunsisäisten elementtien topografian suhteen.

Liittyvät patologiat

Mikrofilamenttien synteesissä on vähän sairauksia, jotka liittyvät primaarisiin vikoihin rakenteessa tai säätelyproteiineihin ja entsyymeihin, huolimatta siitä, että nämä osallistuvat suoraan lukuisiin toimintoihin.

Mikrofilamenttien primaarirakenteessa esiintyvä pieni sairauksien ja epämuodostumien määrä johtuu tosiasiasta, että yleensä on olemassa useita geenejä, jotka koodaavat sekä aktiinia että sen sääteleviä proteiineja, mikä on ilmiö, jota kutsutaan ”geneettiseksi redundanssiksi”.

Yksi tutkituimmista patologioista on munasolujen lasittuminen niiden sytoskeletossa, jossa havaitaan keskeytyminen aivokuoren mikropisteiden verkossa, samoin kuin mitoottisen karan mikrotubulusten depolymerisaatio ja epäjärjestys.

Yleisesti ottaen tämä lasitus aiheuttaa kromosomidispersiota, koska se johtaa häiriöön kaikkien kromatiinien tiivistymisessä.

Solut, joilla on suurempi organisaatio ja osuus mikrosäikeistä niiden sytoskeletonissa, ovat juosteisen lihaksen soluja, siksi suurin osa patologioista liittyy supistuvan laitteen toimintahäiriöön.

Puutteellisia tai epätyypillisiä mikrokuituja on myös liitetty Pagetin taudiksi kutsuttuun luusairauteen.

Viitteet

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., ja Vicente-Manzanares, M. (2017). Mikrokuitujen koordinoima tarttumisdynamiikka ohjaa yksisoluista muuttoliikettä ja muodostaa kokonaiset kudokset. F1000Tutkimus, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, ja Nosworthy, NJ (2003). Aktiinia sitovat proteiinit: sytoskeletaalisten mikrofilamenttien säätely. Fysiologiset arvostelut, 83 (2), 433 - 473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., ja Kanso, E. (2018). Bistabiilisuus aktivoitujen mikrokuitujen synkronoinnissa. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., ja Vacanti, JP (toim.). (2011). Kudostekniikan periaatteet. Akateeminen lehdistö.
5. Robbins, J. (2017). Sytoskeleton taudit: Desinopatiat. Lasten ja nuorten sydänlihaksen myopathiesissa (s. 173-192). Academic Press.