Štruktúra a funkcie intermediárnych filamentov. Stredné vlákna Bunkové vlákna

Intermediárne filamenty sú hlavnými zložkami jadrového a cytoplazmatického cytoskeletu

Medziľahlé vlákna sú potrebné na udržanie správnej štruktúry a funkcie tkaniva.

Pokiaľ ide o priemer, medziľahlé vlákna sú umiestnené medzi aktínovými vláknami a mikrotubulami a tvoria silné siete.

Intermediárne filamenty sú polyméry tvorené proteínovými podjednotkami.

Proteíny, ktoré tvoria intermediárne vlákna, sú heterogénne a kódované rodinou veľkých a komplexných génov.

U ľudí je viac ako 50 ochorení spôsobených výskytom mutácií v proteínoch intermediárnych filamentov.

Mikrotubuly, aktínové filamenty (mikrofilamenty) a medziľahlé vlákna sú tri hlavné systémy proteínových filamentov, ktoré tvoria cytoskelet. Intermediárne filamenty tvoria sieť v cytoplazme a jadre a sú prítomné vo všetkých metazoálnych (živočíšnych) bunkách.

Na rozdiel od mikrotubulov a aktínových filamentov, ktoré sú nevyhnutné aj na prežitie izolované bunky in vitro, sa hlavná funkcia intermediárnych filamentov prejavuje na úrovni organizácie tkanív, kde sú nevyhnutné pre správne fungovanie tkanív a orgánov. Niektoré typy intermediárnych filamentov sa podieľajú na držaní buniek pohromade, čo je nevyhnutné pre tvorbu tkaniva.

Proteíny intermediárneho vlákna sú kódované niekoľkými veľkými rodinami génov. Tieto proteíny tvoria komplexný systém filamentov, ktoré za normálnych fyziologických podmienok tvoria až 80 % celkového bunkového proteínu v bunke. Intracelulárna distribúcia intermediárnych filamentov sa líši od charakteristiky aktínových filamentov a mikrotubulov.

Histológovia objavil ich (vo forme neurofibríl neurónov a tonofilament epidermálnych buniek) dávno predtým v 60. rokoch 20. storočia. pri elektrónovom mikroskopickom vyšetrení svalového tkaniva boli popísané jednotlivé filamenty. Vo svalových bunkách zaujímali „stredné“ vlákna strednú polohu v priemere medzi „hrubými vláknami“ myozínu II a „tenkými vláknami“ aktínu. Ich priemerný priemer je asi 10 nm, t.j. sú hrubšie ako aktínové vlákna (asi 8 nm) a tenšie ako mikrotubuly (asi 25 nm). Všetky tri vláknové systémy sú znázornené na obrázku nižšie.

Proteíny intermediárneho vlákna sa vyznačujú spoločnou molekulárnou štruktúrou a polymerizujú na vlákna s vysokou mechanickou pevnosťou. V elektrónovom mikroskope vyzerajú rovnako. U vyšších stavovcov je rodina zodpovedajúcich proteínov organizovaná najkomplexnejším spôsobom a touto otázkou sa budeme zaoberať v tejto kapitole.

Podobný medziľahlé vlákna nachádzajú sa aj u bezstavovcov, ale ich počet génov kódujúcich zodpovedajúce proteíny je oveľa menší ako u stavovcov. Medziľahlé vlákna bezstavovcov sú tiež menej heterogénne a majú menšiu tkanivovú špecifickosť ako vlákna cicavcov. Ľudský genóm obsahuje asi 70 génov kódujúcich intermediárne filamentové proteíny. Ak vezmeme do úvahy alternatívne zostrihy pre pár z nich, celkový počet týchto proteínov sa blíži k 75.

Sú zastúpené oveľa väčším počtom variantov a sú heterogénnejšie ako aktínové alebo tubulínové proteíny. Všetky intermediárne filamentové proteíny sú charakterizované tkanivovo špecifickou expresiou. Pri diferenciácii sa mení aj ich prejav.

Väčšina informácií týkajúcich sa expresie a biochemických vlastností vlastnosti, boli získané predtým, ako boli stanovené ich funkcie a spojenie s určitými chorobami. Teraz sa ukázalo, že mutácie v génoch intermediárnych filamentových proteínov sú spojené s mnohými genetickými ochoreniami, ktoré sa vyznačujú rôznymi fenotypovými prejavmi. Zahŕňajú najmenej 50 jednotlivých ochorení, od kŕčových žíl až po progériu.

Takmer všetky typy gény intermediárnych filamentových proteínov spojené s nejakou formou prejavu krehkosti tkaniva. To naznačuje, že na fungovanie tkaniva in vivo je potrebná primeraná mechanická pevnosť a že je do značnej miery priamo alebo nepriamo spojená so strednými vláknami. Vzhľadom na to, že génová expresia intermediárnych filamentových proteínov je tkanivovo špecifická, je celkom možné, že všetky tieto proteíny dávajú tkanivovým bunkám najmenšie odtiene rozdielov. Tkanivové bunky vyžadujú rôzne vlastnosti, ako je pevnosť, plasticita, rýchlosť montáže a demontáže štruktúr, ktoré poskytujú pevnosť.

Možno to je dôvod, prečo v priebehu evolúcie vzniklo toľko génov kódujúcich intermediárne vláknité proteíny.

Nachádzajú sa v cytoplazme aj v jadre väčšiny eukaryotických buniek. Priemerný priemer PF je asi 10 nm (9-11 nm), menší ako priemer mikrotubulov (asi 25 nm) a väčší ako priemer aktínových mikrofilamentov (5-9 nm). Názov bol daný kvôli skutočnosti, že hrúbka cytoskeletálnych štruktúr pozostávajúcich z IF zaujímala strednú polohu medzi hrúbkou myozínových filamentov a mikrotubulov. V jadre je známy len jeden typ IF – laminický, zvyšné typy sú cytoplazmatické.

Štruktúra

Štruktúra lokusu molekúl proteínu IF je skôr konzervatívna. Polypeptid má typicky dve globulárne domény na N- a C-konci, ktoré sú spojené rozšírenou nadzávitnicovou doménou v tvare tyčinky zloženej z alfa helixov. Základným stavebným kameňom vlákna je dimér, nie monomér. Tvoria ho dva polypeptidové reťazce, zvyčajne dva rôzne proteíny, ktoré navzájom interagujú svojimi tyčovitými doménami, čím vytvárajú dvojitú nadzávitnicovú špirálu. Cytoplazmatické IF sa tvoria z takých dimérov, ktoré tvoria nepolárne vlákna s hrúbkou jedného bloku. Neprítomnosť polarity v PF je spôsobená antiparalelnou orientáciou dimérov v tetraméri. Ďalej sa z nich vytvárajú zložitejšie štruktúry, v ktorých môžu byť PF zhutňované, v dôsledku čoho majú premenlivý priemer.

Rozširovanie, šírenie

Nie všetky eukaryoty majú cytoplazmatické IF, nachádzajú sa len u niektorých skupín zvierat. Takže PF je v nematódach. mäkkýše a stavovce. ale nenachádza sa u článkonožcov a ostnokožcov. U stavovcov IF chýbajú v niektorých bunkách (napr. oligodendrocyty). V rastlinných bunkách sa nenašli žiadne IF.
Vo väčšine živočíšnych buniek tvoria IF „kôš“ okolo jadra, odkiaľ sú nasmerované na bunkovú perifériu. IF je obzvlášť hojný v bunkách vystavených mechanickému namáhaniu: v epiteli, kde sa IF podieľajú na spájaní buniek medzi sebou cez desmozómy, v nervových vláknach, v bunkách hladkého a priečne pruhovaného svalového tkaniva.

Typy

Na rozdiel od iných základných prvkov cytoskeletu, IF v cytoplazme buniek rôznych tkanív pozostávajú z rôznych, aj keď štruktúrne podobných proteínov. Všetky IF proteíny u ľudí kódujú približne 70 génov. Na základe vlastností zloženia a štruktúry aminokyselín sa rozlišuje päť hlavných skupín IF proteínov.

Typ I - keratíny

Najrozmanitejšiu skupinu PF tvoria keratíny s molekulovou hmotnosťou 40–70 kDa. Tento typ proteínu sa delí na 2 podrodiny:

• kyslé keratíny,
• neutrálne a zásadité keratíny.

Keratínový dimér pozostáva z jedného kyslého a jedného zásaditého keratínu. Spomedzi početných izoforiem keratínu sa rozlišujú dve hlavné skupiny - epitelové keratíny (pozri cytokeratín), vrátane asi 20 druhov keratínov, a vlasové keratíny (asi 10 typov), z ktorých sa stavajú aj nechty, rohy a šupiny plazov.

Typ II

Druhý typ IF proteínov zahŕňa 4 typy proteínov:

• vimentín - proteín s hmotnosťou 45 - 53 kDa, charakteristický pre bunky mezenchymálneho pôvodu: je súčasťou buniek spojivového tkaniva, endotelu, krviniek;
• gliový fibrilárny kyslý proteín;
• periferínu.

Typ III

• Alfa internexín
• Neurofilamentové proteíny
• Nestin
• Cineman
• Sincoilin

Medzi fibrilárne zložky cytoplazmy eukaryotických buniek patria okrem mikrotubulov mikrofilamenty (mikrofilamenty) s hrúbkou 5-7 nm a takzvané intermediárne vlákna alebo mikrofibrily (mikrofibrily) s hrúbkou okolo 10 nm.

Mikrovlákna nachádza takmer vo všetkých typoch buniek. Líšia sa štruktúrou a funkciou, ale je ťažké ich od seba morfologicky odlíšiť. Mikrofilamenty sa nachádzajú v kortikálnej vrstve cytoplazmy, priamo pod plazmalemou, zväzkami alebo vrstvami. Možno ich vidieť v pseudopódiách améb alebo v pohyblivých procesoch fibroblastov, v mikroklkoch črevného epitelu. Mikrofilamenty často tvoria zväzky, ktoré idú do bunkových procesov.

Vo väčšine buniek bola nájdená sieť mikrofilamentov. Líšia sa chemickým zložením. V závislosti od chemického zloženia môžu vykonávať funkcie cytoskeletu a podieľať sa na zabezpečovaní pohybu. Táto sieť je súčasťou cytoskeletu. Pomocou imunofluorescenčných metód sa jasne ukázalo, že zloženie mikrofilamentov kortikálnej vrstvy a zväzkov zahŕňa kontraktilné proteíny: aktín, myozín, tropomyozín, a-aktinín. V dôsledku toho mikrofilamenty nie sú nič iné ako intracelulárny kontraktilný aparát, ktorý zabezpečuje nielen bunkovú mobilitu počas ich aktívneho améboidného pohybu, ale pravdepodobne väčšinu intracelulárnych pohybov, ako sú cytoplazmatické prúdy, pohyb vakuol, mitochondrie, bunkové delenie.

stredné vlákna, alebo mikrofibrily, tiež proteínové štruktúry. Sú to tenké (10 nm) nerozvetvené vlákna, často usporiadané do zväzkov. Charakteristické je, že ich proteínové zloženie je v rôznych tkanivách odlišné. V epiteli je napríklad keratín súčasťou intermediárnych filamentov. Zväzky keratínových intermediárnych filamentov v epitelových bunkách tvoria takzvané tonofibrily, ktoré zapadajú do desmozómov. Zloženie intermediárnych filamentov buniek mezenchymálnych tkanív (napríklad fibroblastov) zahŕňa ďalší proteín - vimentín. Svalové bunky charakterizuje proteín desmín, v nervových bunkách je súčasťou ich neurofilamentov aj špeciálny proteín.

Úlohou intermediárnych mikrofilamentov je s najväčšou pravdepodobnosťou nosný rámec, avšak tieto fibrilárne štruktúry nie sú také labilné ako mikrotubuly.

37-38. Chemické zloženie a ultraštruktúra mikrofilamentov a mikrotubulov. (Pozri 36)

39. Vlastnosti chemického zloženia a supramolekulárnej štruktúry intermediárnych filamentov. Medziľahlé vlákna sa tak nazývajú, pretože ich priemer je asi 10 nm, čo je stred medzi priemerom mikrofilamentov (6 nm) a mikrotubulov (25 nm). Na rozdiel od mikrofilamentov a mikrotubulov nejde o molekulárne polyméry, ale o polykondenzáty fibrilárnych monomérov. Intermediárne filamenty sa nachádzajú vo všetkých živočíšnych bunkách, ale najmä v kožnom epiteli, nervových a svalových tkanivách je ich veľa.

Centrálna časť molekuly intermediárneho filamentového proteínu obsahuje rovnakú aminokyselinovú sekvenciu 130 zvyškov, ktorá tvorí a-helix. Napriek tomu majú tieto proteíny výraznú tkanivovú špecifickosť, ktorá je určená koncovými oblasťami ich molekúl. K zostaveniu filamentov dochádza usporiadanou kondenzáciou a-helikálnych štruktúr.

Proteíny intermediárneho vlákna patria do jednej zo štyroch odlišných skupín - keratíny, mezenchymálne bunkové proteíny, neurofibrilové proteíny a laminy.

Keratíny sú rodinou fibrilárnych proteínov s molekulovou hmotnosťou 40-70 kDa, špecifických pre epitelové bunky.

Komu proteíny neurofilamentov zahŕňajú tri polypeptidy s molekulovou hmotnosťou 68, 145 a 220 kD. Spolu s mikrotubulmi sú súčasťou štruktúr charakteristických pre nervové bunky – neurofibrily, ktoré sa podieľajú na tvorbe vnútrobunkového transportného systému v tele neurónu a jeho procesov.

Stredné vlákna cytoplazmy sú lokalizované hlavne okolo bunkového jadra a tiež tvoria zväzky siahajúce od jadra k periférii bunky. Distribúcia intermediárnych filamentov v bunke sa do značnej miery zhoduje s distribúciou mikrotubulov, čo odráža ich spoločnú účasť v intracelulárnych transportných systémoch.

Na rozdiel od cytoplazmatických proteínov, ktoré tvoria fibrily lokalizované v bunkovom jadre lamináty A, B a C(molekulová hmotnosť 60-70 kD) sa zhromažďujú v pravouhlých mriežkach. Rámec tvorený nimi alebo jadrová matrica je v kontakte s vnútornou membránou nukleolémy, pričom si zachováva veľkosť a tvar bunkového jadra. Jadrová matrica laminov tiež slúži ako nosná štruktúra pre chromozómy. Počas mitózy alebo meiózy sú laminy fosforylované kinázami bunkového delenia, čo vedie k ich depolymerizácii a rozpadu nukleolémy na jednotlivé vezikuly roztrúsené po celej cytoplazme. Na konci delenia sa aktivujú fosfatázy, ktoré zabezpečujú polymerizáciu laminov a obnovu jadrovej matrice a nukleolémy.

40. Aktín a súvisiace proteíny. Molekulárne mechanizmy kontrakcie aktinomyozínových komplexov. Existuje päť hlavných miest, kde sa môže uplatniť pôsobenie proteínov viažucich aktín. Môžu sa viazať na aktínový monomér; so "špicatým" alebo pomaly rastúcim koncom vlákna; s "opereným" alebo rýchlo rastúcim koncom; s bočným povrchom vlákna; a nakoniec, s dvoma vláknami naraz, tvoriacimi medzi nimi priečnu väzbu. Okrem týchto piatich interakcií môžu byť proteíny viažuce aktín citlivé alebo necitlivé na vápnik. Pri takom množstve možností nie je prekvapujúce, že bolo objavených veľa proteínov viažucich aktín a že niektoré z nich sú schopné niekoľkých typov interakcie.
Proteíny, ktoré sa viažu na monoméry, inhibujú tvorbu semien, čím sa oslabuje vzájomná interakcia monomérov. Tieto proteíny môžu alebo nemusia znižovať rýchlosť predlžovania v závislosti od toho, či sa aktínový komplex s proteínom viažucim aktín bude schopný pripojiť k vláknam. Profilín a fragmín sú proteíny citlivé na vápnik, ktoré interagujú s aktínovými monomérmi. Obidve vyžadujú vápnik, aby sa naviazal na aktín. Komplex profilínu s monomérom môže stavať na už existujúcich filamentoch, ale komplex fragmínu s aktínom nie. Preto profilín inhibuje hlavne nukleáciu, zatiaľ čo fragmín inhibuje nukleáciu aj predĺženie. Z troch proteínov necitlivých na vápnik, ktoré interagujú s aktínom, dva – DNáza I a proteín viažuci vitamín D – fungujú mimo bunky. Fyziologický význam ich schopnosti viazať sa na aktín nie je známy. V mozgu sa však nachádza proteín, ktorý väzbou na monoméry depolymerizuje aktínové filamenty; jeho depolymerizačný účinok sa vysvetľuje skutočnosťou, že väzba monomérov vedie k zníženiu koncentrácie aktínu dostupného pre polymerizáciu Molekuly myozínu a aktínu, ktoré spolu interagujú, vytvárajú komplex aktomyozínu, v ktorom sa hrajú hlavné deje von, čo vedie k vytvoreniu sily, ktorá spôsobuje svalovú kontrakciu. V kľudovom svale nevykazujú myozínové mostíky aktivitu ATPázy, pretože tropomyozín a proteíny troponínového komplexu bránia interakcii myozínových hlavičiek s aktínovým vláknom. Aktivácia aktomyozínového komplexu je iniciovaná iónmi Ca2+. Koncentrácia Ca2+ v cytoplazme svalovej bunky v pokoji (uvoľnený sval) je menšia ako 0,1 μm, čo je oveľa menej ako koncentrácia Ca2+ v intersticiálnej tekutine. Je to spôsobené prácou špeciálneho enzýmu - vápnikovej pumpy sarkoplazmatického retikula, ktorá pomocou energie molekúl ATP (ATP) prečerpáva Ca2 + z cytoplazmy do špeciálnych nádrží. Pôsobením nervového impulzu opúšťajú ióny Ca2+ vápnikové cisterny a viažu sa na TnC. To vedie k štrukturálnym zmenám v iných proteínoch troponínového komplexu. Nakoniec sa poloha tropomyozínu vzhľadom na F-aktínové vlákno mení a teraz sa myozínová hlava môže viazať na aktín. Ťahová sila, ktorá spôsobuje posun myozínu pozdĺž aktínových filamentov, vzniká v dôsledku štrukturálnych zmien v katalytickom centre myozínu po hydrolýze molekuly ATP. Myozín sa podobá mechanickému zariadeniu, v ktorom hlava a krk myozínového mostíka zohrávajú úlohu akejsi páky, ktorá umožňuje zvýšiť amplitúdu posunu myozínového chvosta. Táto páka jedným koncom spočíva na aktínovom vlákne, druhý koniec páky je spojený s chvostom molekuly myozínu (obr. 3). Po hydrolýze ATP a disociácii Pn (Pi) a ADP (ADP) z katalytického centra v myozínovej hlavici dochádza k štrukturálnym preskupeniam, v dôsledku ktorých sa myozínová hlavica pripojená k aktínovému vláknu otáča o uhol a = 30–40 °, ťahaním za myozínový chvost (obr. .3). Vzniká tak sila, ktorá spôsobuje, že hrubé vlákna myozínu kĺžu pozdĺž vlákien aktínu.

41. Ultraštruktúra diktyozómov a ich funkcie. Golgiho aparát predstavujú membránové štruktúry zostavené dohromady na malej ploche. Samostatnou zónou akumulácie týchto membrán je diktyozóm. V diktyozóme sú blízko seba (vo vzdialenosti 20–25 nm) umiestnené ploché membránové vaky alebo cisterny vo forme stohu, medzi ktorými sú umiestnené tenké vrstvy.Podľa elektrónovej mikroskopie je ultraštruktúra tzv. Golgiho komplex zahŕňa tri hlavné zložky: Systém plochých nádrží. 2. Potrubný systém. 3. Veľké a malé bubliny. Všetky tri zložky Golgiho aparátu sú vzájomne prepojené a môžu vychádzať jedna z druhej. V bunkách rôznych orgánov a tkanív sú zložky Golgiho aparátu vyvinuté odlišne. .Funkcie Golgiho aparátu: 1) syntéza polysacharidov a glykoproteínov (glykokalyx, hlien); 2) modifikácia proteínových molekúl (terminálna glykozylácia - zahrnutie sacharidových zložiek; fosforylácia - pridanie fosfátových skupín; acylácia - pridanie mastných kyselín; sulfatácia - pridanie sulfátových zvyškov atď. .; 3) kondenzácia sekrečného produktu (v kondenzačných vakuolách) a tvorba sekrečných granúl; 4) triedenie proteínov na trans povrchu; 5) balenie sekrečných produktov do membránových štruktúr.

42. Inklúzie. Okrem membránových a nemembránových organel môžu bunky obsahovať bunkové inklúzie, čo sú nestále útvary, ktoré sa buď objavia alebo zaniknú počas života bunky.Hlavným umiestnením inklúzií je cytoplazma, niekedy sa však nachádzajú aj v jadro.metabolizmus. Hromadia sa hlavne vo forme granúl, kvapiek a kryštálov. Chemické zloženie inklúzií je veľmi rôznorodé.Lipoidy sa zvyčajne ukladajú v bunke vo forme malých kvapiek. Veľké množstvo tukových kvapôčok sa nachádza v cytoplazme mnohých prvokov, ako sú nálevníky. U cicavcov sa tukové kvapôčky nachádzajú v špecializovaných tukových bunkách, v spojivovom tkanive. Často sa značné množstvo tukových inklúzií ukladá v dôsledku patologických procesov, napríklad s tukovou degeneráciou pečene. Kvapky tuku sa nachádzajú v bunkách takmer všetkých rastlinných tkanív, veľa tuku sa nachádza v semenách niektorých rastlín.Inklúzie polysacharidov majú najčastejšie vzorec granúl rôznych veľkostí. U mnohobunkových živočíchov a prvokov sa glykogénové usadeniny nachádzajú v cytoplazme buniek. Glykogénové granule sú jasne viditeľné pod svetelným mikroskopom. Obzvlášť veľké sú akumulácie glykogénu v cytoplazme priečne pruhovaných svalových vlákien a v pečeňových bunkách, v neurónoch. V rastlinných bunkách sa škrob najčastejšie ukladá z polysacharidov. Má formu granúl rôznych tvarov a veľkostí a tvar škrobových granúl je špecifický pre každý rastlinný druh a pre určité pletivá. Cytoplazma hľúz zemiakov a obilných zŕn je bohatá na usadeniny škrobu; každá škrobová granula pozostáva z oddelených vrstiev a každá vrstva zase obsahuje radiálne usporiadané kryštály, takmer neviditeľné vo svetelnom mikroskope.Proteínové inklúzie sú menej časté ako tukové a sacharidové inklúzie. Cytoplazma vajíčok je bohatá na proteínové granuly, kde sú vo forme doštičiek, guľôčok, diskov a tyčiniek. Proteínové inklúzie sa nachádzajú v cytoplazme pečeňových buniek, buniek prvokov a mnohých iných zvierat.

Intermediárne filamenty (IF) sú vytvorené z fibrilárnych monomérov. Preto základná konštrukcia medziľahlých vlákien pripomína lano s hrúbkou asi 8 až 10 nm. Sú lokalizované najmä v perinukleárnej zóne a vo zväzkoch fibríl siahajúcich až k bunkovej periférii a umiestnených pod plazmatickou membránou (obr. 238, 240 a 241). Intermediárne filamenty sa nachádzajú vo všetkých typoch živočíšnych buniek, ale sú obzvlášť hojné v tých bunkách, ktoré sú vystavené mechanickému namáhaniu: epidermálne bunky, nervové procesy, bunky hladkého a priečne pruhovaného svalstva. V rastlinných bunkách sa nenašli žiadne IF.

Zloženie intermediárnych filamentov zahŕňa veľkú skupinu izoproteínov (príbuzné proteíny), ktoré možno rozdeliť do štyroch typov. Prvý typ je keratíny, kyslé a neutrálne, nachádzajúce sa v epiteliálnych bunkách; tvoria heteropolyméry z týchto dvoch podtypov. Keratíny majú navyše určitú heterogenitu v závislosti od zdroja tkaniva. Takže až 20 foriem keratínov sa nachádza v epiteli, 10 foriem iných keratínov sa nachádza vo vlasoch a nechtoch. Molekulová hmotnosť keratínov sa pohybuje od 40 do 70 tisíc jednotiek.

Druhý typ IF proteínov zahŕňa tri typy proteínov s podobnou molekulovou hmotnosťou (45-53 tisíc). to - vimentín, charakteristika buniek mezenchymálneho pôvodu, ktorá je súčasťou cytoskeletu buniek spojivového tkaniva, endotelu, krviniek. Desmin charakteristické pre svalové bunky, hladké aj pruhované. Glial fibrilárne proteín je súčasťou IF niektorých buniek nervovej glie – v astrocytoch a niektorých Schwannových bunkách. Peripherin je súčasťou periférnych a centrálnych neurónov.

Tretí typ - neurofilamentové proteíny(molekulová hmotnosť od 60 do 130 tisíc), nachádzajúce sa v axónoch nervových buniek.

A nakoniec štvrtý typ - veveričky jadrové laminami. Hoci tieto majú jadrovú lokalizáciu, majú podobnú štruktúru a vlastnosti ako všetky intermediárne vláknité proteíny.

Ako už bolo spomenuté, intermediárne vlákna sú postavené z fibrilárnych proteínov ako lano. Súčasne môžu niektoré proteíny tvoriť kopolyméry, napríklad vimentín s desmínom alebo vimentín s gliovými proteínmi.

Všetky intermediárne vláknité proteíny majú podobnú aminokyselinovú sekvenciu 130 zvyškov v centrálnej časti fibrilárnej molekuly, ktorá má a-helikálnu štruktúru. Koncové úseky molekúl majú rôzne aminokyselinové sekvencie, rôzne dĺžky a nemajú a-helikálnu štruktúru. Prítomnosť rozšírených α-helikálnych oblastí umožňuje, aby dve molekuly vytvorili dvojitú špirálu, podobnú molekule myozínu, čo vedie k vytvoreniu tyčinkovitého diméru s dĺžkou asi 48 nm. Dva diméry, ktoré sa spájajú vedľa seba, tvoria krátky protofilament - tetramér, hrubý asi 3 nm. Takéto protofilamenty sa môžu spájať do hrubších a dlhších fibríl a nakoniec sa vytvorí medziľahlé úplné vlákno pozostávajúce z ôsmich pozdĺžnych protofilamentov (obr. 242).

Proteíny jadrovej laminy polymerizujú odlišne: tvoria diméry s hlavami na jednom konci a polymerizujú, čím vytvárajú voľnú pravouhlú mriežku. Takéto laminové vrstvy sú rýchlo zničené počas mitózy fosforyláciou laminov.

Cytoplazmatické intermediárne filamenty patria medzi najstabilnejšie a dlhoveké prvky cytoskeletu. Avšak in vivo sa pozoruje inkorporácia injikovaných značených keratínových molekúl do IF kompozície epitelových buniek. PF sú odolné voči nízkym a vysokým koncentráciám solí a sú zničené až po vystavení denaturačným roztokom, ako je močovina.

Takáto štruktúra a chemická stabilita intermediárnych filamentov pravdepodobne určuje aj ich fyzikálnu stabilitu. Slúžia ako skutočný podporný systém v bunkách, ktoré sú vystavené značnému fyzickému stresu. V bunkách epidermis pokožky tvoria intermediárne filamenty zväzky (tonofilamenty) spojené s desmozómami a vytvárajú tuhú intracelulárnu sieť (obr. 243). V nervových axónoch, ktoré sa rozprestierajú na mnoho desiatok centimetrov, teda PF alebo neurofilamenty vytvárajú pevný rámec, ktorý zabezpečuje flexibilitu a integritu tenkých cytoplazmatických procesov nervových buniek. V priečne pruhovaných svalových bunkách sú desmínové filamenty súčasťou Z-diskov a navzájom ich spájajú ako súčasť sarkoméry, tak aj v susedných myofibrilách, ako aj s plazmatickou membránou.

Špecifické inhibítory polymerizácie intermediárnych filamentových proteínov zatiaľ neboli nájdené. Preto samotný proces montáže a demontáže týchto prvkov cytoskeletu v živej bunke zostáva nejasný. Je najpravdepodobnejšie, že sú, podobne ako laminy, depolymerizované pôsobením cytoplazmatických kináz, čo vedie k ich fosforylácii. Izolované intermediárne vlákna sa pôsobením fosforyláz môžu rozložiť na monoméry a depolymerizovať.

Topograficky v bunke usporiadanie intermediárnych filamentov opakuje usporiadanie mikrotubulov, zdá sa, že idú vedľa seba. Keď sú mikrotubuly zničené kolchicínom, dochádza k takzvanému kolapsu intermediárnych filamentov: zhromažďujú sa do hustých zväzkov alebo prstencov okolo jadra. Obnova novej siete medziľahlých filamentov začína v zóne bunkového centra. To naznačuje, že centrá ich polymerizácie alebo nukleácie môžu byť centrá, ktoré sú spoločné s mikrotubulami.

Intermediárne filamenty (IF) sú vytvorené z fibrilárnych monomérov. Preto základná konštrukcia medziľahlých vlákien pripomína lano s hrúbkou asi 8 až 10 nm. Sú lokalizované najmä v perinukleárnej zóne a vo zväzkoch fibríl siahajúcich až k bunkovej periférii a umiestnených pod plazmatickou membránou (obr. 238, 240, 241). Intermediárne vlákna sa nachádzajú vo všetkých typoch živočíšnych buniek, ale sú obzvlášť hojné v tých, ktoré sú vystavené mechanickému namáhaniu: epidermálne bunky, nervové procesy, bunky hladkého a priečne pruhovaného svalstva. V rastlinných bunkách sa nenašli žiadne IF.

Zloženie intermediárnych filamentov zahŕňa veľkú skupinu izoproteínov, príbuzných proteínov, ktoré možno rozdeliť do štyroch typov. Prvý - keratíny, kyslé a neutrálne, nachádzajúce sa v epitelových bunkách; tvoria heteropolyméry z týchto dvoch podtypov. Keratíny majú navyše určitú heterogenitu v závislosti od zdroja tkaniva. Takže až 20 foriem keratínov sa nachádza v epiteli, 10 foriem iných keratínov sa nachádza vo vlasoch a nechtoch. Molekulová hmotnosť keratínov sa pohybuje od 40 do 70 tisíc jednotiek.

Druhý typ IF proteínov zahŕňa tri typy proteínov s podobnou molekulovou hmotnosťou (45-53 tisíc). to - vimentín, charakteristický pre bunky mezenchymálneho pôvodu, ktorý je súčasťou cytoskeletu buniek spojivového tkaniva, endotelu, krviniek. Desmin- charakteristika svalových buniek, hladkých aj pruhovaných. Glial fibrilárne proteín je súčasťou IF niektorých buniek nervovej glie – v astrocytoch a niektorých Schwannových bunkách. periferín - je súčasťou periférnych a centrálnych neurónov.

Tretí typ je neurofilamentové proteíny(hovoria, že hmotnosť je od 60 do 130 tisíc) sa nachádza v axónoch nervových buniek.

A nakoniec štvrtý typ - veveričky jadrové laminami. Hoci tieto majú jadrovú lokalizáciu, majú podobnú štruktúru a vlastnosti ako všetky intermediárne vláknité proteíny.

Ako už bolo spomenuté, intermediárne vlákna sú postavené z fibrilárnych proteínov ako lano. Súčasne môžu niektoré proteíny tvoriť kopolyméry, napríklad vimentín s desmínom alebo vimentín s gliovými proteínmi.

Všetky intermediárne vláknité proteíny majú podobnú aminokyselinovú sekvenciu 130 zvyškov v centrálnej časti fibrilárnej molekuly, ktorá má a-helikálnu štruktúru. Koncové úseky molekúl majú rôzne aminokyselinové sekvencie, rôzne dĺžky a nemajú a-helikálnu štruktúru. Prítomnosť rozšírených a-helikálnych oblastí umožňuje dvom molekulám vytvoriť dvojitú špirálu, podobne ako to, čo vedie k vytvoreniu tyčinkovitého diméru s dĺžkou asi 48 nm. Dva diméry sa spájajú vedľa seba a vytvárajú krátky protofilament, tetramér, hrubý asi 3 nm. Takéto protofilamenty sa môžu spájať do hrubších a dlhších fibríl a prípadne do stredného plného vlákna pozostávajúceho z 8 pozdĺžnych protofilamentov (obr. 242).

Proteíny jadrovej laminy polymerizujú odlišne: tvoria diméry s hlavami na jednom konci a polymerizujú za vzniku voľnej pravouhlej mriežky. Takéto laminové vrstvy sú rýchlo zničené počas mitózy fosforyláciou laminov.

Cytoplazmatické intermediárne filamenty patria medzi najstabilnejšie a dlhoveké prvky cytoskeletu. Avšak in vivo sa pozoruje inkorporácia injikovaných značených keratínových molekúl do IF kompozície epitelových buniek. PF sú odolné voči nízkym a vysokým koncentráciám solí a sú zničené až po vystavení denaturačným roztokom, ako je močovina.

Takáto štruktúra a chemická stabilita intermediárnych filamentov pravdepodobne určuje aj ich fyzikálnu stabilitu. Slúžia ako skutočný podporný systém v bunkách, ktoré sú vystavené značnému fyzickému stresu. V bunkách epidermis pokožky tvoria intermediárne filamenty zväzky (tonofilamenty) spojené s desmozómami a vytvárajú tuhú intracelulárnu sieť (obr. 243). V nervových axónoch siahajúcich mnoho desiatok centimetrov teda PF alebo neurofilamenty vytvárajú tuhú základňu, ktorá zabezpečuje flexibilitu a integritu tenkých cytoplazmatických procesov nervových buniek. V priečne pruhovaných svalových bunkách sú desmínové filamenty súčasťou z-diskov a spájajú ich navzájom ako súčasť sarkoméry a v susedných myofibrilách, ako aj s plazmatickou membránou.

Špecifické inhibítory polymerizácie intermediárnych filamentových proteínov zatiaľ neboli nájdené. Preto samotný proces montáže a demontáže týchto prvkov cytoskeletu v živej bunke zostáva nejasný. Je najpravdepodobnejšie, že sú, podobne ako laminy, depolymerizované pôsobením cytoplazmatických kináz, čo vedie k ich fosforylácii. Izolované intermediárne vlákna sa pôsobením fosforyláz môžu rozložiť na monoméry a depolymerizovať.

Topograficky v bunke usporiadanie intermediárnych filamentov opakuje usporiadanie mikrotubulov, zdá sa, že idú vedľa seba. Keď sú mikrotubuly zničené kolchicínom, tzv. kolaps intermediárnych filamentov: zhromažďujú sa v hustých zväzkoch alebo prstencoch okolo jadra. Obnova novej siete medziľahlých filamentov začína v zóne bunkového centra. To naznačuje, že centrá ich polymerizácie alebo nukleácie môžu byť centrá, ktoré sú spoločné s mikrotubulami.

Kapitola 21

Všeobecné vlastnosti mikrofilamentov.

Mikrofilamenty sa nachádzajú vo všetkých eukaryotických bunkách. Sú obzvlášť bohaté na svalové vlákna a bunky - vysoko špecializované bunky, ktoré vykonávajú funkcie svalovej kontrakcie. Mikrofilamenty (MF) sú tiež súčasťou špeciálnych bunkových komponentov, ako sú mikroklky, stuhové spojenia epitelových buniek a stereocilie citlivých buniek. MF tvoria zväzky v cytoplazme pohyblivých živočíšnych buniek a tvoria vrstvu pod plazmatickou membránou - kortikálnu vrstvu (obr. 244a, 245). V mnohých rastlinných bunkách a bunkách nižších húb sa nachádzajú vo vrstvách pohyblivej cytoplazmy.

Hlavným proteínom mikrofilamentov je aktín. Actin- heterogénny proteín, v rôznych bunkách môžu existovať rôzne varianty alebo izoformy, z ktorých každá je kódovaná vlastným génom. Cicavce teda majú 6 rôznych aktínov: jeden v kostrových svaloch, jeden v srdcovom svale, dva typy - v hladkých svaloch (jeden z nich v cievach) a dva, nesvalové, cytoplazmatické aktíny, ktoré sú univerzálnou súčasťou akékoľvek bunky cicavcov. Všetky tieto izoformy aktínu sú veľmi podobné v aminokyselinových sekvenciách, s variantnými koncovými oblasťami, ktoré určujú rýchlosť polymerizácie, ale neovplyvňujú kontrakciu. Táto podobnosť aktínov, napriek niektorým rozdielom, určuje ich spoločné vlastnosti. Aktín má molekulovú hmotnosť asi 42 tisíc a v monomérnej forme má formu globule (G-aktín) obsahujúcej molekulu ATP. Pri jeho polymerizácii vzniká tenká fibrila (F-aktín) s hrúbkou 8 nm, čo je jemný špirálovitý pásik (obr. 246). Aktínové mikrofilamenty sú polárne svojimi vlastnosťami. Pri dostatočnej koncentrácii začne G-aktín spontánne polymerizovať. Pri takejto spontánnej polymerizácii aktínu na vytvorenej mikrofilamentovej nite sa jeden z jej koncov rýchlo naviaže na G-aktín (+) - koniec mikrofilamentu) a preto rastie rýchlejšie ako opačný (mínusový koniec). Ak je koncentrácia G-aktínu nedostatočná, potom sa vytvorené fibrily F-aktínu začnú rozkladať. V roztokoch obsahujúcich tzv. kritickej koncentrácie G-aktínu sa nastolí dynamická rovnováha medzi polymerizáciou a depolymerizáciou, v dôsledku čoho bude mať F-aktínová fibrila konštantnú dĺžku (obr. 247). Z toho vyplýva, že aktínové mikrofilamenty sú veľmi dynamické štruktúry, ktoré môžu v závislosti od prítomnosti globulárneho aktínu vznikať a rásť alebo naopak rozkladať a zanikať. Na rastúci koniec aktínového vlákna sú vložené monoméry obsahujúce ATP. Ako polymér rastie, dochádza k hydrolýze ATP a monoméry zostávajú naviazané na ADP. Aktínové molekuly naviazané na ATP navzájom silnejšie interagujú ako monoméry naviazané na ADP.

V bunkách je takýto zdanlivo nestabilný fibrilárny systém stabilizovaný množstvom špecifických proteínov spojených s F-aktínom. Áno, proteín. tropomyozín, ktoré interagujú s mikrovláknami, im dodáva potrebnú tuhosť. Množstvo bielkovín, ako napr filamin a a-aktinínu tvoria priečne svorky medzi F-aktínovými vláknami, čo vedie k vytvoreniu komplexnej trojrozmernej siete, ktorá dáva cytoplazme gélovitý stav. Ďalšie ďalšie proteíny môžu viazať vlákna do zväzkov (fimbrín) atď. Okrem toho existujú proteíny, ktoré interagujú s koncami mikrofilamentov a zabraňujú ich rozloženiu a stabilizujú ich. Interakcia F-aktínu s celou touto skupinou proteínov reguluje stav agregácie mikrofilamentov, ich voľné alebo naopak úzke usporiadanie, ich spojenie s ostatnými zložkami. Proteíny zohrávajú osobitnú úlohu pri interakcii s aktínom. myozínový typ, ktoré spolu s aktínom tvoria komplex schopný kontrakcie pri štiepení ATP (pozri nižšie) (obr. 262).

MF sú teda vlákna polymerizovaného aktínu spojené s mnohými ďalšími proteínmi. V zásade môžu mikrofilamenty vo všetkých nesvalových bunkách vykonávať aspoň dve skupiny funkcií: môžu byť súčasťou kontraktilného aparátu, interagovať s motorickými proteínmi (myozín), alebo sa podieľať na tvorbe kostrových štruktúr schopných vlastného pohybu v dôsledku aktínu. polymerizácia a depolymerizácia.

Najmä veľa informácií o cytoskelete a mikrofilamentoch sa získalo pri štúdiu fibroblastov v tkanivovej kultúre, ktoré majú schopnosť amébového pohybu. Tieto bunky nemajú trvalé fibrilárne štruktúry zodpovedné za pohyb, ich fibrilárny aparát je neustále v reorganizácii: niektoré z fibrilárnych prvkov sú v niektorých častiach bunky demontované a v iných novo vytvorené.

Zvyčajne je fibroblast plaziaci sa po povrchu substrátu polarizovaný: má pohyblivý koniec a časť „chvost“. (obr. 248, 249) Na pohyblivom konci, ktorý je často viac rozprestretý po substráte ako bočné a chvostové časti fibroblastu, sa neustále objavujú a miznú tenké filamentózne alebo lamelárne výrastky - lamellopodia. Toto je predná hrana bunky (lamelloplazma). Čo zabezpečuje pohyb fibroblastu dopredu. V takomto pohyblivom fibroblaste možno použiť protilátky na zistenie polohy aktínu. Bude distribuovaný cez tri hlavné časti bunky: je vo forme tenkej vrstvy (1) umiestnenej po celom obvode bunky pod plazmatickou membránou. Toto je kortikálna (kôra - kôra) vrstva. Aktín sa hojne deteguje vo výrastkoch cytoplazmy predného okraja bunky (2) a (3) vo zväzkoch aktínových filamentov siahajúcich od predného okraja hlboko do bunky (obr. 245).

Kortikálna vrstva pozostáva z hustej trojrozmernej siete aktínových filamentov spojených s plazmatickou membránou (tab.). Poskytuje mechanickú stabilitu povrchovej vrstve cytoplazmy a vytvára podmienky, ktoré bunke umožňujú meniť svoj tvar a pohybovať sa. Táto vrstva neustále mení svoj stav agregácie, pričom prechádza zo stavu štruktúrovaného gélu do tekutého sólu. Takéto prechody gél-sol sú spojené so zmenami v štruktúre kortikálnej vrstvy. Tu sa v spojení s aktínovými vláknami nachádzajú fibrilárne stabilizujúce proteíny (napr. filamin), ktoré tvoria priečne väzby v priesečníku vlákien, čo spevní celú kortikálnu vrstvu. Táto tuhosť sa však dá ľahko odstrániť interakciou s inými proteínmi, ako je gelsolin, ktoré spôsobujú fragmentáciu a rozkladanie vlákien a tým skvapalňujú gél. Toto preskupenie submembránovej vrstvy je výrazné najmä v nábežnej hrane, čo umožňuje rýchlo meniť tvar jej povrchu, formovať lamellipódiu a posúvať sa vpred. Na druhej strane sieť aktínových filamentov je schopná kontrakcie našli sa v nej krátke myozínové agregáty. To vedie buď k stiahnutiu lamellipódií, alebo k vytiahnutiu buniek dopredu. Sieť aktínových filamentov na prednej hrane je organizovanejšia ako vo zvyšku kôry. Tu sa z malých počiatočných výrastkov plazmalemy rozširujú zväzky aktínových filamentov do bunky, ktoré končia svojimi (+) koncami na plazmatickej membráne.

Samotný proces tvorby aktínových filamentov a ich rast v zóne lameloplazmy závisí od množstva regulačných proteínov. Jeden z nich, proteín WASp/Scar, sa viaže na plazmatickú membránu. Obsahuje miesta, ktoré sa viažu na aktín, ďalší špeciálny proteínový komplex Arp2/3, ktorý sa viaže na (-)-koniec rastúceho polymérneho reťazca, čím bráni jeho depolymerizácii. Takéto komplexné interakcie dvoch skupín regulačných proteínov vedú k tomu, že na hranici s plazmatickou membránou sa budujú rastúce filamenty, ktoré dokážu ohnúť plazmatickú membránu tak, že vznikne tenký výrastok – filopódia (obr. 250).

V opačnom prípade dochádza pri tvorbe lamellipódií k polymerizácii aktínu. Tu zohrávajú vedúcu úlohu aj proteíny WASp/Scar, ktoré sú fixované na plazmatickej membráne a viažu sa na komplex Arp2/3 a pripájajú ho na laterálny povrch už pripravenej aktínovej fibrily. Komplex Arp2/3 iniciuje polymerizáciu nového aktínového vlákna, ktoré začína rásť pod uhlom asi 70° vzhľadom na primárne aktínové vlákno a pripája sa k plazmatickej membráne. Existuje niekoľko takýchto nových proteínových reťazcov, ktoré sa rozprestierajú smerom k plazmatickej membráne a posúvajú ju dopredu. Takto vznikajú pseudopódie alebo lamellopódie (obr. 251) V dôsledku nahromadenia aktínových filamentov na (+) koncoch. Súčasne dochádza k depolymerizácii tých (-) koncov filamentov, ktoré nie sú blokované komplexmi Arp2/3 a sú vystavené pôsobeniu proteínov, ktoré podporujú depolymerizáciu MF.

Zložitý proces rastu MF teda vedie k priestorovému posunu okraja pohyblivej bunky. Ako sa lamellipódia vyvíjajú, ich plazmatická membrána s pomocou integrínových proteínov vytvára fokálne kontakty so substrátom, z ktorých odchádzajú zväzky aktínových filamentov, ktoré sa podieľajú na inej forme mobility spojenej s interakciami medzi aktínovými filamentmi a motorickými proteínmi, myozínmi.

myozíny sú jednou zo zložiek MF. Hlavná práca na pohybe buniek alebo ich vnútorných komponentov pomocou MF nastáva vďaka práci aktomyozínového komplexu, kde aktínové fibrily zohrávajú úlohu vodičov („koľajnice“) a myozíny zohrávajú úlohu translokátorov. Celý aktomyozínový komplex je ATP-áza a pohyb nastáva v dôsledku energie hydrolýzy ATP.

Myozíny sú rodinou príbuzných proteínov. Všetky majú hlavu(motorická) časť zodpovedná za aktivitu ATPázy komplexu, krku, ktorý je spojený s niekoľkými regulačnými proteínovými podjednotkami a chvost, charakteristický pre každý typ myozínu, ktorý určuje špecifickosť funkcie v bunke. Existujú tri hlavné typy myozínov. Myozín II a myozín V sú diméry, v ktorých a-helikálna oblasť chvosta tvorí nadzávitnicovú tyčinkovú oblasť. Myozín I je monomérna molekula (obr. 252). Dve molekuly myozínu II sa môžu navzájom spájať a vytvárať bipolárnu hrubú fibrilu zapojenú do svalovej kontrakcie, kontrakcie intracelulárnych zväzkov MF a bunkového delenia. Myozíny typu I a V sa podieľajú na interakciách medzi cytoskeletálnymi prvkami a membránami, napríklad pri transporte vezikúl.

Mechanizmy fungovania aktomyozínových komplexov sú bez ohľadu na typ myozínu veľmi podobné: začína sa spojením myozínovej hlavice s aktínovým filamentom, jeho ohnutím a následným oddelením. Pri každom cykle sa myozínová hlavica počas hydrolýzy jednej molekuly ATP posunie v smere (+) konca aktínového vlákna o 5-25 nm. Tak dochádza k jednosmernému posunu alebo kĺzaniu MF vzhľadom na molekuly myozínu (obr. 253).