MIKROFILAMENTI: ZNAČILNOSTI, STRUKTURA, FUNKCIJE, PATOLOGIJA - BIOLOGIJA - 2026

V mikrofilamenti ali aktin filamentov, eden od treh glavnih sestavnih delov skeleta iz evkariontskih celic (mikrofilamentov, mikrotubulov in vmesnih filamentov) in so sestavljene iz majhnih filamentov z beljakovino, imenovano aktin (aktin polimerov).

V evkariotih so geni, ki kodirajo aktinske mikrofilamente, zelo ohranjeni v vseh organizmih, zato se pogosto uporabljajo kot molekularni markerji za različne vrste študij.

Fotografija zamaknjenih celic iz aktina (Vir: Howard Vindin prek Wikimedia Commons)

Mikrofilamenti so razporejeni po celotnem citosolu, vendar jih je še posebej veliko v predelu pod plazemsko membrano, kjer tvorijo kompleksno mrežo in se povezujejo z drugimi posebnimi proteini, da tvorijo citoskelet.

Mreže mikrofilamentov v citoplazmi celic sesalcev kodirata dva od šestih opisanih genov za aktin, ki sodelujeta v dinamiki mikrofilamentov in sta celo pomembna med diferenciacijo matičnih celic.

Številni avtorji se strinjajo, da so mikrofilamenti najbolj raznoliki, vsestranski in najpomembnejši beljakovine v citoskeletu večine evkariontskih celic, pri čemer je pomembno vedeti, da jih ni v prokariotskih mikroorganizmih.

Po drugi strani v tej vrsti celic obstajajo nitke, ki so homologne mikrofilamentom, vendar jih sestavlja drug protein: protein MreB.

Trenutno naj bi bil gen, ki kodira ta protein, možen gen za aktin v evkariotih. Vendar je homologija zaporedja aminokislin, ki sestavljajo protein MreB, le 15% glede na aktinsko zaporedje.

Ker so temeljni del citoskeleta, lahko vsaka fenotipska napaka tako v mikrotubulah kot vmesnih nitkah in aktinskih mikrofilamentih (citoskelet) povzroči različne celične in sistemske patologije.

Značilnosti in struktura

Mikrofilamenti so sestavljeni iz beljakovinskih monomerov iz družine aktinov, ki so zelo obilno kontraktilne beljakovine v evkariontskih celicah, saj sodelujejo tudi pri krčenju mišic.

Ti filamenti imajo premer med 5 in 7 nm, zato jih poznamo tudi kot tanke nitke in so sestavljeni iz dveh oblik aktina: globularne oblike (G aktin) in nitaste oblike (F aktin).

Proteini, ki sodelujejo v citoskeletu, so znani kot γ in β aktini, medtem ko so tisti, ki sodelujejo pri krčenju, običajno α aktini.

Delež globularnega aktina in nitastega aktina v citosolu je odvisen od celičnih potreb, saj so mikrofilamenti zelo variabilne in vsestranske strukture, ki se s polimerizacijo in depolimerizacijo nenehno povečujejo in krajšajo.

G aktin je majhen kroglični protein, sestavljen iz skoraj 400 aminokislin in z molekulsko maso približno 43 kDa.

Monomeri G-aktina, ki sestavljajo mikrofilamente, so razporejeni v obliki spiralnega pramena, saj je vsak, ki je povezan z naslednjim.

G aktin se povezuje z eno molekulo Ca2 + in drugo z ATP, ki stabilizirajo njegovo kroglo; medtem ko F-aktin dobimo po hidrolizi terminalnega fosfata ATP molekule v G-aktin, kar prispeva k polimerizaciji.

Organizacija

Aktinski filamenti so lahko organizirani v "svežnje" ali "mreže", ki imajo znotraj celic različne funkcije. Snopi tvorijo vzporedne strukture, povezane s precej togimi križnimi mostovi.

Mreže so na drugi strani ohlapnejše strukture, kot tridimenzionalne mreže z lastnostmi poltrdnih gelov.

Obstaja veliko beljakovin, ki se povezujejo z aktinskimi filamenti ali mikrofilamenti in so znane kot ABP (aktinski vezni proteini), ki imajo zanj določena mesta.

Mnoge od teh beljakovin omogočajo, da mikrofilamenti medsebojno delujejo z drugimi dvema komponentama citoskeleta: mikrotubuli in vmesnimi nitkami ter drugimi sestavnimi deli na notranji strani plazemske membrane.

Drugi proteini, s katerimi mikrofilamenti sodelujejo, vključujejo jedrske lamine in spektrin (v rdečih krvnih celicah).

Kako nastajajo aktinski filamenti?

Ker se globularni monomeri aktina vežejo na enak način, usmerjeni v isto smer, imajo mikrofilamenti definirano polarnost z dvema koncema: enim "več" in enim "manj".

Polarnost teh filamentov je zelo pomembna, saj na njihovem pozitivnem koncu rastejo bistveno hitreje, kjer se dodajo novi G-aktinski monomeri.

Grafični prikaz tvorbe mikrofilamentov aktina (Vir: izpeljano delo: Retama (pogovori) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström prek Wikimedia Commons)

Prva stvar, ki se zgodi med polimerizacijo aktinskih filamentov, je postopek, znan kot "nukleacija", ki je sestavljen iz združevanja treh monomerov proteina.

Temu trimerju se na obeh koncih dodajo novi monomeri, tako da nitka raste. Monomeri G-aktina so sposobni hidrolizirati ATP z vsako vezavo, kar vpliva na hitrost polimerizacije, saj delci aktin-ATP disociirajo z večjimi težavami kot dele aktin-ADP.

ATP ni potreben za polimerizacijo in posebna vloga njegove hidrolize še ni razjasnjena.

Nekateri avtorji menijo, da ker so dogodki polimerizacije aktina hitro reverzibilni, lahko ATP, povezan s temi procesi, predstavlja do 40% celotnega celičnega prometa te energijske molekule.

Uredba

Tako polimerizacija aktinskih filamentov kot njihova depolimerizacija sta procesa, ki sta visoko regulirana z vrsto posebnih proteinov, ki so odgovorni za preoblikovanje filamentov.

Primeri proteinov, ki uravnavajo depolimerizacijo, so kofilin s faktorjem depolimerizacije aktina. Druga beljakovina, profilin, ima nasprotno funkcijo, saj spodbuja asociacijo monomerov (s spodbujanjem izmenjave ADP za ATP).

Lastnosti

Mikrofilamenti so v interakciji z miozinskimi filamenti, ki so povezani s transmembranskimi beljakovinami, ki imajo domeno v citosolu in drugo v celični zunanjosti ter tako sodelujejo v procesih mobilnosti celic.

Ti mikrofilamenti, povezani s plazemsko membrano, posredujejo različne celične odzive na različne razrede dražljajev. Na primer, celično adhezijo v epitelijskih tkivih poganjajo transmembranski proteini, znani kot kadherini, ki delujejo z mikrofilamenti, da pridobijo odzivne dejavnike.

Aktinski filamenti medsebojno delujejo z vmesnimi filamenti, zaradi česar se zunajcelični dražljaji prenašajo na ključna mesta, kot so ribosomi in kromosomi znotraj jedra.

Predstavitev znotrajcelične motorične funkcije aktinskih mikrofilamentov (Vir: Boumphreyfr prek Wikimedia Commons)

Klasična in dobro raziskana funkcija mikrofilamentov je njihova sposobnost oblikovanja "mostov", "tirnic" ali "avtocest" za gibanje motornega proteina miozina I, ki lahko nalaga transportne vezikle iz organelov na membrano plazma v sekretornih poteh.

Mikrofilamenti sodelujejo tudi z miozinom II, da vzpostavijo kontraktilni obroč, ki nastane med citokinezo, natančno v zadnji fazi celične delitve, v kateri je citosol ločen od matičnih in hčerinskih celic.

Na splošno mikrofilamenti F-aktina modulirajo porazdelitev nekaterih organelov, kot so Golgijev kompleks, endoplazemski retikulum in mitohondrije. Poleg tega sodelujejo tudi pri prostorskem pozicioniranju mRNK, tako da jih odčitavajo ribosomi.

Celoten celični niz mikrofilamentov, zlasti tisti, ki so tesno povezani s plazemsko membrano, sodelujejo pri tvorbi valovitih membran celic, ki imajo stalno aktivno gibanje.

Prav tako sodelujejo pri nastajanju mikrovil in drugih pogostih izboklin na površini številnih celic.

Primer funkcij v jetrih

Mikrofilamenti sodelujejo v procesu izločanja žolča v hepatocitih (jetrnih celicah) in tudi pri peristaltičnih gibih (usklajeno krčenje) jetrnih kanalov.

Prispevajo k diferenciaciji domen plazemskih membran zahvaljujoč njihovi povezanosti z različnimi citosolnimi elementi in nadzorom, ki ga izvajajo nad topografijo teh znotrajceličnih elementov.

Sorodne patologije

Obstaja malo bolezni, povezanih s primarnimi napakami v strukturi ali z regulacijskimi beljakovinami in encimi pri sintezi mikrofilamentov, kljub temu, da so neposredno vključene v veliko število funkcij.

Nizka stopnja bolezni in malformacij v primarni strukturi mikrofilamentov je posledica dejstva, da na splošno obstaja več genov, ki kodirajo tako aktin kot njegove regulativne beljakovine, pojav, znan kot "genska odveč".

Ena najbolj preučenih patologij je vitrifikacija oocitov na njihovem citoskeletu, kjer opazimo prekinitev mreže kortikalnih mikrofilamentov, pa tudi depolimerizacijo in neorganizacijo mikrotubul mitotskega vretena.

Na splošno ta vitrifikacija povzroči kromosomsko razpršitev, saj vodi v zbito stiskanje vsega kromatina.

Celice, ki imajo večjo organizacijo in delež mikrofilamentov v svojem citoskeletu, so celice progaste mišice, zato je večina patologij povezanih z okvaro kontraktilnega aparata.

Okvarjeni ali atipični mikrofilamenti so bili povezani tudi s kostno boleznijo, znano kot Pagetova bolezen.

Reference

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., in Vicente-Manzanares, M. (2017). Dinamika adhezije, usklajena z mikrofilamentom, poganja enocelično migracijo in oblikuje cela tkiva. F1000Raziskovanje, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Proteini, ki vežejo aktin: regulacija citoskeletnih mikrofilamentov. Fiziološki pregledi, 83 (2), 433–473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistabilnost pri sinhronizaciji aktiviranih mikrofilamentov. Časopis Mehanika tekočin, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (ur.). (2011). Načela tkivnega inženiringa. Akademski tisk.
5. Robbins, J. (2017). Bolezni citoskeleta: Desminopathies. V kardioskeletnih miopatijah pri otrocih in mladih (str. 173-192). Akademski tisk.