МІКРОФІЛАМЕНТИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, БУДОВА, ФУНКЦІЇ, ПАТОЛОГІЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

У Мікрофіламентів або актинові філаменти, є одним з трьох основних компонентів цитоскелета еукаріотів (мікрофіламентів, мікротрубочок і проміжних філаментів) і складаються з дрібних волокон білка , названого актин (Актинові полімерів).

У еукаріотів гени, що кодують мікрофіламенти актину, зберігаються у всіх організмах, тому їх часто використовують як молекулярні маркери для досліджень різних видів.

Фотографія актинованих ниток клітини, зафарбованої (Джерело: Говард Віндін через Wikimedia Commons)

Мікрофіламенти розподіляються по всьому цитозолу, але вони особливо рясні в області, що лежить в основі плазматичної мембрани, де вони утворюють складну мережу і асоціюються з іншими спеціальними білками для утворення цитоскелету.

Мікрофіламентні мережі в цитоплазмі клітин ссавців кодуються двома з шести генів, описаних для актину, які беруть участь у динаміці мікрофіламентів і навіть дуже важливі під час диференціації стовбурових клітин.

Багато авторів сходяться на думці, що мікрофіламенти - це найрізноманітніші, універсальні та найважливіші білки в цитоскелеті більшості еукаріотичних клітин, і важливо пам’ятати, що їх немає в прокаріотичних мікроорганізмах.

У клітинах цього типу, з іншого боку, є нитки, гомологічні мікрофіламентам, але які складаються з іншого білка: білка MreB.

В даний час вважається, що ген, що кодує цей білок, є можливим геном предків для актину в еукаріот. Однак гомологія послідовності амінокислот, що складають білок MreB, становить лише 15% щодо актинової послідовності.

Оскільки вони є основоположною частиною цитоскелету, будь-який фенотипічний дефект як мікротрубочок, так і проміжних ниток та мікрофіламентів актину (цитоскелет) може викликати різні клітинні та системні патології.

Характеристика та структура

Мікрофіламенти складаються з білкових мономерів сімейства актинових, які є дуже рясними скоротливими білками в еукаріотичних клітинах, оскільки вони також беруть участь у скороченні м’язів.

Ці нитки мають діаметр між 5 і 7 нм, тому їх також називають тонкими нитками і складаються з двох форм актину: глобулярної форми (G актин) і нитчастої форми (F актин).

Білки, які беруть участь у цитоскелеті, відомі як γ і β актиніни, тоді як ті, які беруть участь у скороченні, як правило, є α актинами.

Частка глобулярного актину та нитчастого актину в цитозолі залежить від клітинних потреб, оскільки мікрофіламенти - це дуже мінливі та багатогранні структури, які постійно зростають та скорочуються полімеризацією та деполімеризацією.

G актин - це невеликий кульовий білок, що складається з майже 400 амінокислот і молекулярною масою близько 43 кДа.

Мономери G-актину, що входять до складу мікроволокна, розташовані у вигляді спіральної нитки, оскільки кожен зазнає повороту, коли асоціюється з наступним.

G актин асоціюється з однією молекулою Са2 + та іншою АТФ, які стабілізують його кульову форму; при цьому F-актин отримують після гідролізу кінцевого фосфату молекули АТФ в G-актин, що сприяє полімеризації.

Організація

Актинові нитки можуть бути організовані в "пучки" або "мережі", які мають різні функції всередині комірок. Пучки утворюють паралельні структури, з'єднані досить жорсткими поперечними мостами.

Мережі, з іншого боку, - це більш пухкі структури, як тривимірні сітки з властивостями напівтвердих гелів.

Існує багато білків, які асоціюються з актиновими нитками або мікрофіламентами і відомі як АБП (білки, що зв'язують актин), які мають для нього конкретні місця.

Багато з цих білків дозволяють мікроволокна взаємодіяти з іншими двома компонентами цитоскелету: мікротрубочками та проміжними нитками, а також з іншими компонентами на внутрішній поверхні плазматичної мембрани.

Інші білки, з якими взаємодіють мікрофіламенти, включають ядерні пластинки та спектрин (в еритроцитах).

Як утворюються актинові нитки?

Оскільки глобулярні мономери актину завжди зв'язуються однаково, орієнтовані в одному напрямку, мікрофіламенти мають певну полярність з двома кінцями: один «більше» і один «менше».

Полярність цих ниток дуже важлива, оскільки вони зростають значно швидше при їх позитивному кінці, куди додаються нові мономери G-актину.

Графічне зображення утворення мікрофіламентів актину (Джерело: похідна робота: Retama (розмова) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström через Wikimedia Commons)

Перше, що відбувається під час полімеризації актинових ниток - це процес, відомий як «нуклеація», який складається з об’єднання трьох мономерів білка.

До цього тримеру додаються нові мономери з обох кінців, так що нитка росте. Мономери G-актину здатні гідролізувати АТФ з кожним зв'язуванням, що впливає на швидкість полімеризації, оскільки фрагменти актин-АТФ дисоціюють з більшими труднощами, ніж фрагменти актин-АДФ.

АТФ не є необхідним для полімеризації, а конкретна роль його гідролізу ще не з'ясована.

Деякі автори вважають, що оскільки події полімеризації актину швидко оборотні, АТФ, пов'язаний з цими процесами, може становити до 40% загального клітинного обороту цієї енергетичної молекули.

Регулювання

Як полімеризація актинових ниток, так і їх деполімеризація - це процеси, які сильно регулюються рядом специфічних білків, які відповідають за реконструкцію ниток.

Прикладами білків, які регулюють деполімеризацію, є фактор деполімеризації актину кофілін. Інший білок, профілін, має протилежну функцію, оскільки стимулює асоціацію мономерів (стимулюючи обмін АДФ на АТФ).

Особливості

Мікрофіламенти взаємодіють з міозиновими нитками, які пов'язані з трансмембранними білками, які мають домен у цитозолі та інший у клітинній екстер’єрі, беручи участь таким чином у процесах мобільності клітин.

Ці мікрофіламенти, пов'язані з мембраною плазми, опосередковують різні клітинні реакції на різні класи подразників. Наприклад, адгезія клітин в епітеліальних тканинах визначається трансмембранними білками, відомими як кадгерини, які взаємодіють з мікрофіламентами для набору факторів реакції.

Актинові нитки взаємодіють з проміжними нитками, викликаючи передачу позаклітинних подразників у ключові місця, такі як рибосоми та хромосоми всередині ядра.

Представлення внутрішньоклітинної рухової функції мікрофіламентів актину (Джерело: Boumphreyfr через Wikimedia Commons)

Класичною і добре вивченою функцією мікрофіламентів є їх здатність утворювати "мости", "рейки" або "магістралі" для руху моторного білка міозину I, який здатний завантажувати транспортні везикули з органел до мембрани плазма в секреторних шляхах.

Мікрофіламенти також взаємодіють з міозином II для встановлення скоротливого кільця, яке утворюється під час цитокінезу, саме під час останньої стадії поділу клітин, в якій цитозол відокремлений від стовбурових і дочірніх клітин.

Загалом мікрофіламенти F-актину модулюють розподіл деяких органел, таких як комплекс Гольджі, ендоплазматичний ретикулум і мітохондрії. Крім того, вони також беруть участь у просторовому розташуванні мРНК, щоб вони читалися рибосомами.

Весь клітинний набір мікрофіламентів, особливо ті, які тісно пов'язані з плазматичною мембраною, беруть участь у формуванні хвилеподібних мембран клітин, які мають постійний активний рух.

Вони також беруть участь у формуванні мікроворсинок та інших поширених шишок на поверхні багатьох клітин.

Приклад функцій в печінці

Мікрофіламенти беруть участь у процесі секреції жовчі в гепатоцитах (клітинах печінки), а також у перистальтичних рухах (узгоджене скорочення) канальців печінки.

Вони сприяють диференціації доменів плазматичної мембрани завдяки їх асоціації з різними цитозольними елементами та контролю, який вони здійснюють над топографією цих внутрішньоклітинних елементів.

Супутні патології

Мало захворювань, пов’язаних з первинними дефектами структури або з регулюючими білками та ферментами в синтезі мікрофіламентів, незважаючи на те, що вони безпосередньо беруть участь у великій кількості функцій.

Низький рівень захворювань та вад розвитку в первинній структурі мікрофіламентів пояснюється тим, що, як правило, існує кілька генів, що кодують як актин, так і його регуляторні білки, явище, відоме як "генетична надмірність".

Однією з найбільш вивчених патологій є вітрифікація яйцеклітин на їх цитоскелеті, де спостерігається порушення в корковій мережі мікрофіламент, а також деполімеризація та дезорганізація мікротрубочок мітотичного веретена.

Загалом, ця вітрифікація спричиняє хромосомну дисперсію, оскільки призводить до дезорганізації ущільнення всього хроматину.

Клітини, які мають більшу організацію та частку мікрофіламентів у своєму цитоскелеті, є клітинами смугастого м’яза, тому більшість патологій пов’язані з несправністю скорочувального апарату.

Дефектні або атипові мікрофіламенти також були пов'язані із захворюванням кісток, відомим як хвороба Педжета.

Список літератури

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., та Vicente-Manzanares, M. (2017). Динаміка адгезії, що координується мікрофіламентом, сприяє міграції одиниць і формує цілі тканини. F1000Дослідження, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Білки, що зв'язують актин: регуляція мікрофіламентів цитоскелету Фізіологічні огляди, 83 (2), 433-473.
3. Го, Х., Фокі, Л., Шеллі, М., і Кансо, Е. (2018). Бістабільність при синхронізації спрацьованих мікрофіламентів. Журнал механіки рідин, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (ред.). (2011 р.). Принципи тканинної інженерії. Академічна преса.
5. Роббінс, Дж. (2017). Хвороби цитоскелету: десмінопатії. При кардіоскелетних міопатіях у дітей та молодих дорослих (с. 173-192). Академічна преса.