Микрофиламенты , также называемые актиновыми нитями , представляют собой белковые нити в цитоплазме эукариотических клеток , которые образуют часть цитоскелета . Они в основном состоят из полимеров актина , но модифицируются и взаимодействуют с многочисленными другими белками в клетке. Микрофиламенты обычно имеют диаметр около 7 нм и состоят из двух нитей актина. Функции микрофиламентов включают цитокинез , амебоидное движение , подвижность клеток , изменение формы клеток, эндоцитоз и экзоцитоз , сократимость клеток и механическую стабильность. Микрофиламенты гибкие и относительно прочные, они противостоят изгибу под действием многопиконьютоновых сжимающих сил и разрыву нити под действием наноньютоновых растягивающих сил. При индукции подвижности клеток один конец актиновой нити удлиняется, а другой конец сокращается, предположительно, молекулярными моторами миозина II . [1] Кроме того, они функционируют как часть актомиозин -управляемых сократительных молекулярных двигателей, где тонкие нити служат в качестве платформ растяжения для АТФ -зависимого тянущего действия миозина при сокращении мышц и продвижении псевдоподий . Микрофиламенты имеют прочную, гибкую структуру, которая помогает клетке двигаться. [2]
Актин был впервые обнаружен в скелетных мышцах кролика в середине 1940-х годов Ф. Б. Штраубом. [3] Почти 20 лет спустя Х. Э. Хаксли продемонстрировал, что актин необходим для сокращения мышц. Механизм, при котором актин создает длинные нити, был впервые описан в середине 1980-х годов. Более поздние исследования показали, что актин играет важную роль в форме клеток, подвижности и цитокинезе.
Актиновые нити собираются в два основных типа структур: пучки и сети. Пучки могут состоять из полярных массивов нитей, в которых все колючие концы указывают на один и тот же конец пучка, или неполярных массивов, где колючие концы указывают на оба конца. Класс актин-связывающих белков , называемых сшивающими белками, диктует формирование этих структур. Сшивающие белки определяют ориентацию нитей и расстояние между ними в пучках и сетях. Эти структуры регулируются многими другими классами актин-связывающих белков, включая моторные белки, разветвляющие белки, разрывающие белки, промоторы полимеризации и кэпирующие белки. [ необходима цитата ]
Микрофиламенты , диаметром около 6 нм , [4] являются самыми тонкими волокнами цитоскелета. Они представляют собой полимеры субъединиц актина (глобулярный актин, или G-актин), которые как часть волокна называются нитевидным актином, или F-актином. Каждый микрофиламент состоит из двух спиральных , переплетенных нитей субъединиц. Подобно микротрубочкам , актиновые филаменты поляризованы. Электронные микрофотографии предоставили доказательства их быстрорастущих колючих концов и их медленнорастущего заостренного конца. Эта полярность была определена рисунком, созданным связыванием фрагментов миозина S1: они сами являются субъединицами более крупного белкового комплекса миозина II . Заостренный конец обычно называют минус (−), а колючий конец называют плюс (+). [ необходима цитата ]
Полимеризация актина in vitro , или нуклеация , начинается с самоассоциации трех мономеров G-актина с образованием тримера . Затем связанный с АТФ актин сам связывает зазубренный конец, и АТФ впоследствии гидролизуется . Гидролиз АТФ происходит с полупериодом около 2 секунд, [5] в то время как полупериод для диссоциации неорганического фосфата составляет около 6 минут. [5] Это автокатализируемое событие снижает прочность связи между соседними субъединицами и, таким образом, в целом дестабилизирует нить. Полимеризация актина in vivo катализируется классом молекулярных моторов, отслеживающих конец нити, известных как актоклампины. Последние данные свидетельствуют о том, что скорость гидролиза АТФ и скорость включения мономера сильно связаны.
Затем АДФ -актин медленно диссоциирует от заостренного конца, процесс значительно ускоряется актин-связывающим белком, кофилином . Связанный с АДФ кофилин разрывает богатые АДФ области, ближайшие к (−)-концам. После высвобождения свободный мономер актина медленно диссоциирует от АДФ, который, в свою очередь, быстро связывается со свободным АТФ, диффундирующим в цитозоле , тем самым образуя мономерные единицы АТФ-актин, необходимые для дальнейшего удлинения нити с зазубренным концом. Этот быстрый оборот важен для движения клетки. Концевые белки, такие как CapZ, предотвращают добавление или потерю мономеров на конце нити, где оборот актина неблагоприятен, например, в мышечном аппарате.
Полимеризация актина вместе с кэппинг-белками недавно использовались для управления трехмерным ростом белковых нитей, чтобы выполнять трехмерные топологии, полезные в технологии и создании электрических соединений. Электропроводность достигается путем металлизации трехмерной структуры белка. [6] [7]
В результате гидролиза АТФ нити удлиняются примерно в 10 раз быстрее на своих колючих концах, чем на заостренных. В устойчивом состоянии скорость полимеризации на колючем конце совпадает со скоростью деполимеризации на заостренном конце, и говорят, что микронити работают по принципу тредмиллинга . Тредмиллинг приводит к удлинению на колючем конце и сокращению на заостренном конце, так что нить в целом движется. Поскольку оба процесса энергетически выгодны, это означает, что генерируется сила, энергия в конечном итоге исходит от АТФ. [1]
Внутриклеточная актиновая цитоскелетная сборка и разборка жестко регулируются клеточными сигнальными механизмами. Многие системы передачи сигнала используют актиновый цитоскелет в качестве каркаса, удерживая их на внутренней поверхности периферической мембраны или около нее. Это субклеточное расположение обеспечивает немедленную реакцию на действие трансмембранного рецептора и результирующий каскад ферментов обработки сигнала. [ необходима цитата ]
Поскольку мономеры актина должны быть переработаны для поддержания высоких скоростей подвижности на основе актина во время хемотаксиса , считается, что клеточная сигнализация активирует кофилин, белок деполимеризации актиновых нитей, который связывается с богатыми АДФ субъединицами актина, ближайшими к заостренному концу нити, и способствует фрагментации нити с сопутствующей деполимеризацией для высвобождения мономеров актина. В большинстве клеток животных мономерный актин связан с профилином и тимозином бета-4 , оба из которых предпочтительно связываются со стехиометрией один к одному с мономерами, содержащими АТФ. Хотя тимозин бета-4 является строго мономер-секвестрирующим белком, поведение профилина гораздо сложнее. Профилин усиливает способность мономеров собираться, стимулируя обмен связанного с актином АДФ на АТФ в фазе раствора для получения актин-АТФ и АДФ. Профилин переносится на передний край благодаря своему сайту связывания PIP 2 , и он использует свой сайт связывания поли-L-пролина для стыковки с белками отслеживания конца. После связывания профилин-актин-АТФ загружается в сайт вставки мономера моторов актоклампина. [ необходима цитата ]
Другим важным компонентом в формировании филамента является комплекс Arp2/3 , который связывается с боковой стороной уже существующего филамента (или «материнского филамента»), где он инициирует образование нового дочернего филамента под углом 70 градусов относительно материнского филамента, образуя веерообразную разветвленную сеть филаментов. [8]
Специализированные уникальные актиновые цитоскелетные структуры находятся рядом с плазматической мембраной. Четыре замечательных примера включают эритроциты , эмбриональные почечные клетки человека , нейроны и сперматозоиды . В эритроцитах гексагональная решетка спектрин -актин образована взаимосвязанными короткими актиновыми нитями. [9] В эмбриональных почечных клетках человека корковый актин образует фрактальную структуру без масштаба . [10] Впервые обнаруженный в аксонах нейронов , актин образует периодические кольца, которые стабилизируются спектрином и аддуцином [11] [12] - и эта кольцевая структура была затем обнаружена Хе и др. в 2016 году почти во всех типах нейронов и глиальных клетках , по-видимому, во всех таксонах животных, включая Caenorhabditis elegans , Drosophila , Gallus gallus и Mus musculus . [13] А в сперме млекопитающих актин образует спиральную структуру в средней части, т. е. в первом сегменте жгутика . [14]
В немышечных клетках актиновые филаменты формируются проксимально к мембранным поверхностям. Их формирование и оборот регулируются многими белками, включая:
Сеть актиновых нитей в немышечных клетках очень динамична. Сеть актиновых нитей организована так, что зазубренный конец каждой нити прикреплен к периферической мембране клетки с помощью моторов удлинения зажатых нитей, вышеупомянутых «актоклампинов», образованных из зазубренного конца нити и зажимающего белка (формины, VASP, Mena, WASP и N-WASP). [15] Первичным субстратом для этих моторов удлинения является комплекс профилин-актин-АТФ, который напрямую переносится на удлиняющиеся концы нитей. [16] Заостренный конец каждой нити ориентирован внутрь клетки. В случае ламеллиподиального роста комплекс Arp2/3 генерирует разветвленную сеть, а в филоподиях формируется параллельный массив нитей.
Миозиновые моторы — это внутриклеточные АТФ-зависимые ферменты, которые связываются с актиновыми нитями и движутся вдоль них. Различные классы миозиновых моторов имеют очень разное поведение, включая создание напряжения в клетке и транспортировку грузовых везикул. [ необходима цитата ]
Одна из предложенных моделей предполагает существование молекулярных моторов, отслеживающих зазубренные концы актиновых нитей, называемых «актоклампин». [17] Предложенные актоклампины генерируют движущие силы, необходимые для подвижности ламеллоподий , филоподий , инвадиподий, дендритных шипиков , внутриклеточных везикул и двигательных процессов при эндоцитозе , экзоцитозе , образовании подосом и фагоцитозе . Моторы актоклампинов также приводят в движение такие внутриклеточные патогены , как Listeria monocytogenes , Shigella flexneri , Vaccinia и Rickettsia . При сборке в подходящих условиях эти молекулярные моторы, отслеживающие концы, также могут приводить в движение биомиметические частицы.
Термин актоклампин происходит от слова acto - для обозначения участия актиновой нити, как в актомиозине, и clamp для обозначения зажимного устройства, используемого для укрепления гибких/движущихся объектов и для надежного закрепления двух или более компонентов, за которым следует суффикс -in для указания его белкового происхождения. Белок отслеживания конца актиновой нити, таким образом, может быть назван clampin.
Дикинсон и Пурич признали, что быстрый гидролиз АТФ может объяснить силы, достигаемые во время подвижности на основе актина. [15] Они предложили простую механоферментативную последовательность, известную как модель «замок, загрузка и срабатывание», в которой белок отслеживания конца остается прочно связанным («запертым» или зажатым) на конце одного субфиламента двухцепочечной актиновой нити. После связывания с глицил-пролил-пролил-пролил-пролил-пролил-пролил-регистрами на белках-трекерах профилин-АТФ-актин доставляется («загружается») на незажатый конец другого субфиламента, после чего АТФ в уже зажатой конечной субъединице другого субфрагмента гидролизуется («запускается»), обеспечивая энергию, необходимую для высвобождения этого плеча конечного трекера, который затем может связать другой профилин-АТФ-актин, чтобы начать новый раунд присоединения мономера. [ необходима цитата ]
Следующие шаги описывают один цикл создания силы молекулярного мотора актоклампина:
При работе с использованием гидролиза АТФ двигатели переменного тока генерируют силы на нить в 8–9 пН, что намного больше предела на нить в 1–2 пН для двигателей, работающих без гидролиза АТФ. [15] [17] [18] Термин актоклампин является общим и применяется ко всем молекулярным двигателям, отслеживающим концы актиновых нитей, независимо от того, приводятся ли они в действие активно с помощью механизма, активируемого АТФ, или пассивно.
Некоторые актоклампины (например, те, которые включают белки Ena/VASP, WASP и N-WASP), по-видимому, требуют инициации филамента, опосредованной Arp2/3, для формирования ядра полимеризации актина , которое затем «загружается» на конечный трекер, прежде чем может начаться процессивная подвижность. Для генерации нового филамента Arp2/3 требуется «материнская» филамент, мономерный АТФ-актин и активирующий домен из Listeria ActA или области VCA N-WASP. Комплекс Arp2/3 связывается с боковой стороной материнского филамента, образуя Y-образную ветвь, имеющую угол 70 градусов по отношению к продольной оси материнского филамента. Затем при активации ActA или VCA комплекс Arp, как полагают, претерпевает серьезные конформационные изменения, в результате чего две его связанные с актином белковые субъединицы оказываются достаточно близко друг к другу, чтобы сформировать новые ворота филамента. Вопрос о том, может ли гидролиз АТФ быть необходим для зародышеобразования и/или высвобождения Y-ветви, находится в стадии активного изучения.
