Микрофиламенты , также называемые актиновыми нитями , представляют собой белковые нити в цитоплазме эукариотических клеток , которые составляют 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 , изменения формы клеток, эндоцитоз и экзоцитоз , сократимость клеток и механическую стабильность. Микрофиламенты гибкие и относительно прочные, противостоят короблению под действием сжимающих сил в несколько пиконьютонов и разрушению нитей под действием наноньютонных растягивающих сил. При индукции подвижности клеток один конец актиновой нити удлиняется, а другой конец сжимается, предположительно за счет молекулярных моторов миозина II . [1] Кроме того, они функционируют как часть управляемых актомиозином сократительных молекулярных моторов, где тонкие нити служат растяжимыми платформами для АТФ -зависимого миозинового тянущего действия при сокращении мышц и продвижении ложноножек . Микрофиламенты имеют прочную, гибкую основу, которая помогает клетке двигаться. [2]
Актин был впервые обнаружен в скелетных мышцах кролика в середине 1940 года Ф. Б. Штраубом. [3] Почти 20 лет спустя Х. Е. Хаксли продемонстрировал, что актин необходим для сокращения мышц. Механизм, с помощью которого 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 собраны в два основных типа структур: пучки и сети. Пучки могут состоять из массивов полярных нитей, в которых все зазубренные концы направлены на один и тот же конец пучка, или из неполярных массивов, где зазубренные концы направлены к обоим концам. Класс актин-связывающих белков , называемый сшивающими белками, диктует формирование этих структур. Сшивающие белки определяют ориентацию и расстояние между филаментами в пучках и сетях. Эти структуры регулируются многими другими классами актин-связывающих белков, включая моторные белки, белки ветвления, разрывающие белки, промоторы полимеризации и кэпирующие белки.
Микрофиламенты, имеющие диаметр около 6 нм [4] , представляют собой самые тонкие волокна цитоскелета. Они представляют собой полимеры субъединиц актина (глобулярного актина, или G-актина), которые в составе волокна называются нитчатым актином, или F-актином. Каждая микрофиламентная нить состоит из двух спиральных переплетенных нитей субъединиц. Подобно микротрубочкам , актиновые нити поляризованы. Электронные микрофотографии подтвердили наличие у них быстрорастущих зазубренных концов и медленно растущих заостренных концов. Эта полярность определяется паттерном, создаваемым связыванием фрагментов миозина S1: они сами являются субъединицами более крупного белкового комплекса миозина II . Заостренный конец обычно называют минусовым (-) концом, а зазубренный конец называют плюсовым (+) концом.
Полимеризация актина , или нуклеация , начинается с самоассоциации трех мономеров G-актина с образованием тримера . АТФ -связанный актин затем сам связывается с зазубренным концом, и АТФ впоследствии гидролизуется . Гидролиз АТФ происходит с периодом полураспада около 2 секунд [5] , тогда как период полураспада диссоциации неорганического фосфата составляет около 6 минут. [5] Это автокатализируемое событие снижает силу связывания между соседними субъединицами и, таким образом, обычно дестабилизирует нить. Полимеризация актина in vivo катализируется классом молекулярных моторов, отслеживающих концы нитей, известных как актоклампины. Недавние данные свидетельствуют о том, что скорость гидролиза АТФ и скорость включения мономера тесно связаны.
Впоследствии АДФ -актин медленно диссоциирует от заостренного конца, и этот процесс значительно ускоряется актин-связывающим белком кофилином . АДФ-связанный 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 цитозоль , тем самым образуя мономерные единицы АТФ-актин, необходимые для дальнейшего удлинения нитей с зазубринами. Этот быстрый оборот важен для движения клетки. Белки, закрывающие концевые точки, такие как CapZ , предотвращают добавление или потерю мономеров на конце филамента, где обмен актина неблагоприятный, например, в мышечном аппарате.
Полимеризация актина вместе с кэпирующими белками недавно использовалась для контроля трехмерного роста белковых нитей с целью создания трехмерных топологий, полезных в технологиях и создании электрических соединений. Электропроводность достигается за счет металлизации трехмерной структуры белка. [6] [7]
В результате гидролиза АТФ нити на своих зазубренных концах удлиняются примерно в 10 раз быстрее, чем на заостренных концах. В устойчивом состоянии скорость полимеризации на зазубренном конце соответствует скорости деполимеризации на заостренном конце, и говорят, что микронити бегут по беговой дорожке . Беговая дорожка приводит к удлинению зазубренного конца и укорочению заостренного конца, так что нить в целом движется. Поскольку оба процесса энергетически выгодны, это означает, что генерируется сила, энергия которой в конечном итоге поступает от АТФ. [1]
Внутриклеточная сборка и разборка цитоскелета актина жестко регулируется клеточными сигнальными механизмами. Многие системы передачи сигнала используют актиновый цитоскелет в качестве каркаса, удерживая его на внутренней поверхности периферической мембраны или вблизи нее . Такое субклеточное расположение позволяет немедленно реагировать на действие трансмембранных рецепторов и возникающий в результате каскад ферментов обработки сигналов.
Поскольку мономеры актина должны подвергаться повторному использованию для поддержания высоких показателей подвижности актина во время хемотаксиса , считается, что передача сигналов в клетках активирует кофилин, белок, деполимеризующий актиновые нити, который связывается с богатыми АДФ субъединицами актина, ближайшими к заостренному концу нити, и способствует фрагментации нити. , с сопутствующей деполимеризацией с целью высвобождения мономеров актина. В большинстве клеток животных мономерный актин связан с профилином и тимозином бета-4 , которые преимущественно связываются со стехиометрией один к одному с АТФ-содержащими мономерами. Хотя тимозин бета-4 является строго белком, секвестрирующим мономеры, поведение профилина гораздо более сложное. Профилин усиливает способность мономеров к сборке, стимулируя обмен связанного с актином АДФ на АТФ в фазе раствора с образованием актин-АТФ и АДФ. Профилин переносится к переднему краю благодаря своему сайту связывания PIP 2 и использует свой сайт связывания поли-L-пролина для стыковки с белками, отслеживающими концы. После связывания профилин-актин-АТФ загружается в место вставки мономера моторов актоклампина. [ нужна цитата ]
Другим важным компонентом формирования нити является комплекс Arp2/3 , который связывается со стороной уже существующей нити (или «материнской нити»), где он способствует образованию новой дочерней нити под углом 70 градусов относительно материнской нити. нить, образующая веерообразную разветвленную сеть нитей. [8]
Специализированные уникальные актиновые цитоскелетные структуры расположены рядом с плазматической мембраной. Четыре замечательных примера включают эритроциты , клетки эмбриональных почек человека , нейроны и сперматозоиды . В эритроцитах спектрин - актиновая гексагональная решетка образована соединенными между собой короткими актиновыми нитями. [9] В клетках эмбриональных почек человека кортикальный актин образует безмасштабную фрактальную структуру. [10] Впервые обнаруженный в аксонах нейронов , актин образует периодические кольца, которые стабилизируются спектрином и аддуцином [11] [12] – и затем He et al. 2016 обнаружили, что эта кольцевая структура встречается почти во всех типах нейронов и глиальных клетках . практически для всех таксонов животных, включая Caenorhabditis elegans , Drosophila , Gallus Gallus и Mus musculus . [13] А в сперме млекопитающих актин образует спиральную структуру в средней части, то есть в первом сегменте жгутика . [14]
В немышечных клетках актиновые нити образуются проксимальнее поверхности мембран. Их образование и обмен регулируются многими белками, в том числе:
Сеть актиновых филаментов в немышечных клетках очень динамична. Сеть актиновых нитей устроена так, что зазубренный конец каждой нити прикреплен к периферической мембране клетки с помощью двигателей удлинения зажатых нитей, вышеупомянутых «актоклампинов», образованных из зазубренного конца нити и зажимающего белка (форминов). , VASP, Mena, WASP и N-WASP). [15] Первичным субстратом этих двигателей элонгации является комплекс профилин-актин-АТФ, который непосредственно переносится на удлиняющиеся концы нитей. [16] Острый конец каждой нити ориентирован внутрь клетки. В случае ламеллодиального роста комплекс Arp2/3 генерирует разветвленную сеть, а в филоподиях формируется параллельный массив филаментов.
Миозиновые моторы представляют собой внутриклеточные АТФ-зависимые ферменты, которые связываются с актиновыми нитями и перемещаются вдоль них. Различные классы миозиновых моторов ведут себя по-разному, в том числе создают напряжение в клетке и транспортируют грузовые пузырьки.
Одна из предложенных моделей предполагает существование молекулярных моторов, отслеживающих зазубренные концы актиновых нитей, называемых «актоклампин». [17] Предлагаемые актоклампины генерируют движущие силы, необходимые для основанной на актине подвижности ламеллиподий , филоподий , инвадиподий, дендритных шипиков , внутриклеточных везикул и подвижных процессов при эндоцитозе , экзоцитозе , образовании подосом и фагоцитозе . Актоклампиновые двигатели также стимулируют такие внутриклеточные патогены , как Listeria monocytogenes , Shigella flexneri , Vaccinia и Rickettsia . При сборке в подходящих условиях эти молекулярные двигатели с отслеживанием концов могут также приводить в движение биомиметические частицы.
Термин «актоклампин» происходит от слова acto – для обозначения вовлечения актиновой нити, как в случае с актомиозином, и зажима – для обозначения зажимного устройства, используемого для укрепления гибких/движущихся объектов и для надежного скрепления двух или более компонентов, за которым следует суффикс – in . чтобы указать на его белковое происхождение. Таким образом, белок, отслеживающий концы актиновых филаментов, может быть назван кламмином.
Дикинсон и Пурич признали, что быстрый гидролиз АТФ может объяснить силы, возникающие во время движения, основанного на актине. [15] Они предложили простую механоферментативную последовательность, известную как модель Lock, Load & Fire, в которой белок, отслеживающий концы, остается прочно связанным («запертым» или зажатым) на конце одной субнити двухцепочечного актина. нить. После связывания с Глицил-Пролил-Пролил-Пролил-Пролил-Пролил-регистрами на белках-трекерах Профилин-АТФ-актин доставляется («загружается») на незажатый конец другой субфиламента, после чего АТФ внутри уже зажатого конца субъединица другого субфрагмента гидролизуется («запускается»), обеспечивая энергию, необходимую для высвобождения этого плеча конечного трекера, который затем может связывать другой профилин-АТФ-актин, чтобы начать новый раунд добавления мономера. [ нужна цитата ]
Следующие шаги описывают один цикл генерации силы молекулярного двигателя актоклампина:
При работе с использованием гидролиза АТФ двигатели переменного тока генерируют силы на каждую нить в размере 8–9 пН, что намного превышает предел на одну нить в 1–2 пН для двигателей, работающих без гидролиза АТФ. [15] [17] [18] Термин актоклампин является общим и применяется ко всем молекулярным моторам, отслеживающим концы актиновых нитей, независимо от того, активируются ли они активным механизмом, активируемым АТФ, или пассивно.
Некоторым актоклампинам (например, тем, которые включают белки Ena/VASP, WASP и N-WASP), по-видимому, требуется инициация филаментов, опосредованная Arp2/3, для формирования ядра полимеризации актина , которое затем «загружается» на трекер концов, прежде чем может начаться процессивная подвижность. . Чтобы создать новую нить, Arp2/3 требует «материнской» нити, мономерного АТФ-актина и активирующего домена из Listeria ActA или области VCA N-WASP. Комплекс Arp2/3 связывается со стороной материнской нити, образуя Y-образную ветвь, имеющую угол 70 градусов по отношению к продольной оси материнской нити. Затем, после активации ActA или VCA, комплекс Arp, как полагают, претерпевает серьезные конформационные изменения, приводя две его субъединицы актин-родственного белка достаточно близко друг к другу, чтобы создать новые ворота филамента. Вопрос о том, может ли гидролиз АТФ потребоваться для нуклеации и/или высвобождения Y-ветви, находится в стадии активного исследования.
