Кэпирующие белки в регуляции длины актиновых филаментов
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 21.12.2024
Курс посвящен описанию структуры и свойств основных сократительных и цитоскелетных белков. Представлены сведения о сборке надмолекулряных комплексов сократительных белков и приводятся современные данные о механизме функционирования основных белков-моторов. Рассматриваются механизмы регуляции сократительной активности различных типов мышц, а также молекулярные механизмы, лежащие в основе возникновения некоторых заболеваний мышц.
Лектор - заведующий кафедрой биохимии, чл.-корр. РАН, профессор, д.б.н. Гусев Николай Борисович
Время проведения: Осенний семестр, для магистров первого года и аспирантов
Продолжительность курса: 14 лекций (28 часов)
Форма отчетности: Экзамен
Альтернативный курс: Нет
Программа курса:
Лекция 1. Разнообразие форм биологической подвижности (сокращение хвоста бактериофага, движения растений, перемещение бактерий, амебоидные движения, движение, генерируемое жгутиками простейших, асинхронные летательные мышцы насекомых и запирательные мышцы моллюсков). Функции, выполняемые мышцами (движение, генерация тепла, эластические свойства мышц и соединительных тканей). Типы скелетов (внутренний с жесткими стенками, наружный с жесткими стенками, гидравлический с мягкими и жесткими стенками). Основы миогенеза. Различие путей формирования поперечнополосатых, сердечных и гладких мышц. Регенерация мышц. Классификация мышечных волокон. Различия в скоростях сокращения, скоростях утомления и развиваемого усилия. Классификации, построенные на морфологических, биохимических и физиологических критериях. Сходство и различие приведенных классификаций.
Морфология поперечнополосатых мышц. Саркомер, тонкие и толстые филаменты. Строение анизотропной и изотропной зон. М-линия и Н-зона. Гипотеза скользящих нитей. Экспериментальные данные, свидетельствующие в пользу правильности гипотезы скользящих нитей. Альтернативные гипотезы, объясняющие механизм мышечного сокращения.
Лекции 2-3. Строение миозина. Представление о легких и тяжелых цепях миозина. Протеолитические фрагменты миозина и функции, выполняемые различными участками молекулы миозина. Строение хвоста молекулы миозина. Суперспирали типа coiled-coil и их роль в создании надмолекулярных структур. Различные способы упаковки двухголового миозина 2. Минорные белки, связанные с миозиновым филаментом. Строение М-линии, миомезин, белок М и креатинкиназа. Роль М-линии в упорядоченном расположении толстых филаментов. С-белок и его аналоги, упаковка центральной части миозинового филамента. Дистальный конец толстого филамента, АМФ-дезаминаза. Система ферментов, связанных с миозиновым филаментом и участвующих в метаболизме АТФ (миокиназа, креатинкиназа, АМФ-дезаминаза, фосфофруктокиназа). Роль титина в поддержании целостности саркомера. Альтернативные способы упаковки миозина в гладких мышцах и мышцах нематод. Изоформы миозина. Современная классификация изомиозинов. Строение миозинов, относящихся к классам 1, 2, 3, 5, 6, 9. Роль различных изоформ миозина в перемещении органелл, создании цитоскелета, рецепции различных внешних сигналов. Сходство и различие изоформ миозина.
Направленность перемещения миозина по нити актина. Современные представления о функционировании миозинового «мотора». Структурные факторы, определяющие величину шага миозиновой головки по нити актина. Кинетические модели АТФ-азной активности актомиозина.
Лекции 4-7. Строение и свойства актина. Посттрансляционные модификации актина. Процесс полимеризации актина. Представление и критической концентрации актина. Полярность нити актина, представление о тредмилинге. Роль нуклеотидов в процессе полимеризации актина. Строение фибриллярного актина, роль отдельных доменов актина в формировании межсубъединичных контактов. Участие белков групп WASP, SCAR и ERM, а также малых G-белков в регуляции процесса полимеризации актина. Белки комплекса АRP2/3 и их роль в полимеризации актина и ветвлении нитей актина.
Классификация актин-связывающих белков. Белки, взаимодействующие с мономерным актином (кофилин, профилин, ДНКаза). Участие этих белков в регуляции процесса полимеризации актина. Белки, кепирующие минус-конец актина (α-актинин). Роль этих белков и тропомодулина в регуляции длины актиновых филаментов. Белки, кепирующие плюс-конец актина (гельзолин, cap-Z, другие белки). Строение Z-линии, роль α-актинина и cap-Z. Белки, повреждающие нити актина. Семейство белков гельзолина (гельзолин, северин, виллин, бревин, профилин). Белки, сшивающие нити актина. Филамин (актин-связывающий беолок. ABP) и «гибкие сшивки». Роль «гибких сшивок» в поддержании определенной вязкости цитоплазмы. «Жесткие сшивки», строение α-актинина, виллина, фимбрина, спектрина, фодрина, белков семейства TW 240/260. Ультраструктура микроворсинки кишечника, цитоскелет эритроцитов. Белки, обеспечивающие прикрепление актина к мембране (винкулин, метавинкулин, талин, интегрин, α-актинин). Строение фокальных контактов. Структура и свойства дистрофина. Дистрофин и утрофин. Различные виды мышечных дистрофий (дистрофия Дюшена, дистрофия Беккера). Белки, участвующие в регуляции длины нитей актина (небулин), и белки, располагающиеся вдоль нитей актина (тропомиозин, тропонин, кальдесмон, кальпонин). Гликолитические ферменты, взаимодействующие с нитями актина. Представление о метаболоне. Роль сорбированных на нити актина ферментов в стабилизации концентрации АТФ вблизи сократительного аппарата. Взаимодействие и взаимовлияние различных актин-связывающих белков.
Микротрубочки. Строение и свойства тубулина. Сравнение тубулина и актина. Полимеризация тубулина и полярность микротрубочек. Движения простейших, основанные на полимеризации и деполимеризации тубулина. Белки, связанные с микротрубочками. Строение аксонемы, возможные механизмы генерации движения в жгутиках простейших и хвостах сперматозоидов. Белки-моторы, динеин и кинезин. Сравнение структуры и свойств кинезина и миозина. Роль кинезина и динеина в перемещении органелл и хромосом. Изоформы кинезина. Другие белки-моторы, перемещающиеся по микротрубочкам.
Белки промежуточных филаментов. Строение белков промежуточных филаментов, роль суперспиральной структуры в формировании филаментов, механизм полимеризации белков промежуточных филаментов. Классификация белков промежуточных филаментов (цитокератины, виментин и десмин, нейрофиламенты, ламины). Участие протеинкиназ в регуляции сборки и разборки промежуточных филаментов. Роль промежуточных филаментов в формировании цитоскелета. Межклеточные контакты.
Лекция 8. Ионные градиенты и механизм инициации мышечного сокращения. Представление о потенциале покоя и потенциале действия. Ион-транспортирующие мембранные АТФазы. Na/K-АТФаза, строение, механизмы функционирования. Система Т-трубочек, сопряжение Т-системы с саркоплазматическим ретикулумом. Дигидропиридиновый рецептор и Са-каналы трансверзальных каналов. Рианодиновый рецептор, возможная роль этого рецептора в передаче сигнала с Т-трубочек на терминальные цистерны ретикулума. Триадин и кальсеквестрин. Са-АТФаза саркоплазматического ретикулума, сходство и различие Са-транспортирующих систем ретикулума и наружных мембран. Регуляция активности транспортных АТФаз кислыми фосфолипидами, фосфоламбаном и кальмодулином. Возможные пути передачи сигнала с наружной мембраны на различные депо кальция внутри клетки. Роль инозитолтрифосфата, циклической АДФ-рибозы и ионов кальция в передаче внешнего сигнала внутрь клетки. Различные системы, участвующие в поддержании определенной концентрации кальция внутри клетки (потенциал-зависимые и гормон-зависимые каналы наружной мембраны, Na/Ca-обменник, каналы, управляемые циклическими нуклеотидами, транспортные АТФазы и каналы саркоплазматического ретикулума, транспорт кальция в митохондриях). Общая схема инициации сокращения в поперечно-полосатых, сердечных и гладких мышцах.
Лекции 9-10. Внутриклеточные Са-связывающие белки. Методы определения параметров связывания кальция растворимыми внутриклеточными белками. Непрямые методы определения связывания кальция (оптические методы исследования, использование методов кругового дихроизма. ЭПР и ЯМР для изучения Са-связывающих свойств, химическая модификация белка). Прямые методы исследования связывания кальция с белками. Методы равновесного диализа, ультрафильтрации, гель-фильтрации и ионообменных смол для определения параметров связывания кальция растворимыми белками.
Строение Са-связывающих белков EF-руки. Функции отдельных аминокислотных остатков, входящих в состав Са-связывающей петли. Пространственное расположение лигандов, координирующих кальций в катион-связывающем центре. Попытки предсказать катион-связывающие свойства на основе первичной структуры белка. Роль спиралей, фланкирующих кальций-связывающую петлю. Создание фармакологических соединений, способных изменять параметры связывания кальция внутриклеточными белками. Кинетика и термодинамика связывания кальция белками семейства EF-руки.
Классификация белков EF-руки. Белки, имеющие 2 катион-связывающих центра (кальбиндин, белки семейства S100, метастазин). Димерные и мономерные Са-связывающие белки. Белки, содержащие 3 кальций-связывающих центра (парвальбумины, онкомодулин). Возможная роль этих белков в регуляции мышечного сокращения и функционирования немышечных клеток. Белки, содержащие 4 кальций-связываюших центра (легкие цепи миозина, тропонин С, кальмодулин, визинин, рековерин). Сходство и различие в строение этих белков. Изменения структуры, вызываемые связыванием ионов кальция. Регуляция активности различных ферментов кальмодулином. Представление о автоингибиторном участке, роль кальмодулина в устранении автоингибрования. Белки, содержащие в своей структуре более 4 кальций-связывающих участков (кальретикулин, кишечные Са-связывающие белки). Эволюция Са-связывающих белков. Использование мотива EF-руки для создания химерных белков, активность которых регулируется ионами кальция. Примеры белков-химер (кальпаин, Са-зависимая протеинкиназа растений, актинины, спектрин, дистрофин, аквеорин).
Кальций-фосфолипид-связывающие белки. Сравнение структуры этих белков со строением белков семейства EF-руки. Классификация Са-фосфолипид-связывающих белков. Возможное родство с белками EF-руки. Функции, выполняемые Са-фосфолипид-связывающими белками внутри клетки.
Внеклеточные Са-связывающие белки. Связывание кальция белками, содержащими кластеры фосфорилированных остатков серина и треонина (казеин и фосвитин). α-карбоксилгутаминовая кислота и связывание кальция белками системы свертывания крови. Механизм посттрансляционной модификации этих белков. Внеклеточные Са-связывающие белки с низким сродством к кальцию (трипсин, термолизин). Сходство и различие в структурах Са-связывающих центров.
Лекции 11-12. Регуляция активности мышц на уровне сократительных белков. Миозиновый тип регуляции. Участие регуляторных и щелочных легких цепей миозина в регуляции сокращения мышц моллюсков. Необычный центр связывания кальция, формируемый в области контакта тяжелых и легких цепей миозина. Регуляция сокращения гладких мышц путем фосфорилирования регуляторных легких цепей миозина. Строение и свойства киназы легких цепей миозина. Три белковых продукта, кодируемых в гене киназы легких цепей миозина. Киназа легких цепей миозина и телокин. Регуляция активности киназы легких цепей миозина кальмодулином и фосфорилирование фермента под действием других протеинкиназ. Протеинкиназы, отличные от киназы легких цепей миозина, способные фосфорилировать регуляторные легкие цепи миозина. Влияние фосфорилирования легких цепей миозина на свойства миозина гладких мышц. Сборка миозиновых филаментов гладких мышц.
Фосфорилирование регуляторных легких цепей миозина поперечнополосатых мышц и сердца. Роль этого процесса в модуляции сократительной активности.
Актиновый тип регуляции. Строение и свойства тропомиозина. Изоформы тропомиозина, упаковка тропомиозина на актиновом филаменте. Строение тропонина. Структура тропонина С, сравнение структуры и свойств тропонина С и кальмодулина. Молекулярно-биологические подходы, используемые для изучения структуры и функций тропонина С. Тропонин I и ингибирование АТФ-азной активности актомиозина. Ингибиторные участки тропонина I. Взаимодействие тропонина I с актином и тропонином С. Способность тропонина С обращать ингибирующее влияние тропонина I. Фосфорилирование тропонина I и роль этого процесса в регуляции сократительной активности сердца. Строение тропонина Т. Альтернативный сплайсинг как способ получения большого количества изоформ тропонина Т с одного гена. Соответствие изоформ тропонина Т и тропомиозина друг другу. Модуляция сократительной активности мышц путем синтеза изоформ сократительных белков. Роль тропонина Т в функционировании полного тропонинового комплекса. Индуцируемые кальцием изменения структуры полного тропонинового комплекса. Фосфорилирование тропонина Т и тропомиозина, возможная роль в сборке актинового филамента и регуляции сократительной активности. Стерическая и аллостерическая модели регуляции сократительной активности мышц на уровне актинового филамента.
Лекции 13-14. Регуляторные белки актинового филамента гладких мышц. Кальдесмон и кальпонин, сходство и различие с тропонином. Роль Са-связывающих белков и фосфорилирования в регуляции активности кальдесмона и кальпонина. Возможное участие кальдесмона и кальпонина в формировании цитоскелета. Согласованное действие актиновой и миозиновой систем регуляции в гладких мышцах и мышцах некоторых беспозвоночных.
Современные представления о механизме перемещения головки миозина по поверхности актина. Регуляция сила-генерирующего перемещения головки миозина на уровне шарнира в структуре молекулы миозина и на уровне замыкания определенных контактов на поверхности актина.
Представление о молекулярных механизмах сократительной активности мышц различного типа.
Кэпирующие белки в регуляции длины актиновых филаментов
Белки нуклеации в контроле полимеризации актина
• Белки нуклеации позволяют клетке контролировать время и место образования филаментов de novo
• In vivo нуклеация филаментов происходит с участием комплекса Arp2/3 и форминов
• При нуклеации с участием Arp2/3 образуется разветвленная сеть филаментов, а форминовые белки инициируют неразветвленные филаменты
• Arp2/3 активируется на клеточной мембране при действии белков Scar, WASP и WAVE
Нуклеация является наиболее медленным этапом образования нового актинового филамента in vitro и важнейшим средством контроля за регуляцией полимеризации клеточного актина. Для быстрой пространственно регулируемой полимеризации нового актинового филамента этап нуклеации необходимо ускорить. Белки, которые облегчают образование филаментов de novo, называются белками нуклеации.
Комплекс Arp2/3 и формины хорошо охарактеризованы и представляют собой два типа белков нуклеации актиновых филаментов, играющих важную роль в регуляции подвижности клеток. Эти белки нуклеируют филаменты по разным механизмам и способствуют образованию в клетке различных типов сети филаментов.
По данным рентгеноструктурного анализа, Arp2/3 представляет собой макромолекулярный белковый комплекс, состоящий из Arp2, ArpЗ и пяти дополнительных белков. Arp2 и Arp3 напоминают актин. Хотя по структуре эти белки близки к актину, они не могут полимеризоваться с образованием филаментов. Предполагается, что Arp2 и Arp3 связываются в комплекс таким образом, что он становится похож на стабильный димер актина с открытым оперенным концом.
Это помогает стабильному нуклеусу образоваться в момент, когда актиновый мономер связывается с комплексом. По мере элонгации нового филамента на оперенном конце, комплекс Arp2/3 остается связанным с заостренным концом.
Способность комплекса Arp2/3 к нуклеации усиливается при его взаимодействии с регуляторными белками и с боковыми поверхностями предсуществующих актиновых филаментов. Нуклеация может происходить на плазматической мембране. Новообразованные «дочерние» филаменты растут в направлении оперенного конца, подобно веткам располагаясь под углом 70° по бокам предсуществующих «материнских» филаментов.
Как следует из экспериментов in vitro, способность комплекса Arp2/3 к связыванию с боковыми поверхностями филаментов приводит к образованию разветвленной сети актиновых фибрилл, напоминающую ту, которая наблюдается на быстрорастущих краях подвижных клеток. Комплекс Arp2/3 связывается более прочно с филаментами тех субъединиц, которые содержат АТФ или АДФ-Фн («молодые» филаменты), чем с субъединицами, содержащими АДФ («старые» филаменты). Поэтому Arp2/3 преимущественно связывается с молодыми филаментами и образует на них ветвящиеся структуры. После высвобождения Фг и старения филамента Arp2/3 отщепляется. Это приводит к диссоциации боковых ветвей и к разборке актиновой сети.
Посредством нескольких белков, система передачи сигнала активирует комплекс Arp2/3 на мембранах. Активация Arp2/3 имеет важное значение для роли, которую играет актин в протрузии мембран. Эти белки активируются малыми G-белками и включают Scar (супрессор рецептора цАМФ), WASP (Wiskott-Aldrich syndrome protein) и WAVE (WASP-^crprolin homologs). Вместе с существующими актиновыми филаментами они обеспечивают активацию комплекса Arp2/3.
Формины относятся к семейству структурно близких белков. Своим названием они обязаны мышиному гену, limb deformity. Эти белки содержат два уникальных гомологичных домена, которые называются формин гомологичный-1 и -2 (FH1 и FH2). Домен FH1 связывает профилин, a FH2 участвует в процессе нуклеации полимеризации актина. Формины характеризуются рядом примечательных особенностей: в ходе элонгации оперенного конца филамента они остаются связанными с ним; защищают его от копирующих белков при элонгации и увеличивают ее скорость за счет прямой ассоциации с профилином.
Механизм нуклеации и элонгации с участием форминов отличается от механизма действия комплекса Arp2/3, который при элонгации остается на заостренном конце филамента. Поскольку, в отличие от разветвленной сети актина, создаваемой комплексом Arp2/3, формины нуклеируют образование актиновых филаментов, не связываясь с боковыми поверхностями уже существующих, они регулируют сборку неразветвленных филаментов.
Кристаллическая структура белкового комплекса Arp2/3. Представлена третичная структура каждой субъединицы (слева) или ее объемная модель (справа).
Белки Arp2 и Arp3 по структуре близки к актину. Структура Arp3 построена по данным из Protein Data Bank file 1KBK. Комплекс Arp2/3 обеспечивает нуклеацию разветвленных актиновых структур,
в то время как формины участвуют в нуклеации неразветвленных, линейных актиновых образований.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
• Кэпирующие белки ингибируют элонгацию актиновых филаментов
• Кэпирующие белки функционируют как на оперенных так и на заостренных концах актиновых филаментов
• Кэпирующие белки и белки семейства гельзолин подавляют элонгацию оперенных концов; в свою очередь, эта их способность ингибируется фосфолипидами плазматической мембраны
• Тропомодулин представляет собой белок, который кэпирует заостренные конец актинового филамента
In vitro, при нерегулируемом росте, актиновые филаменты быстро и непрерывно растут до тех пор, пока концентрация свободного мономера не достигнет критического уровня. В клетке существуют специальные механизмы, которые контролируют количество свободных оперенных концов филаментов. Такой контроль необходим для предотвращения истощения пула мономерного актина и для регулировки размера специфических актиновых структур.
Поскольку короткие актиновые филаменты обладают большей жесткостью, чем длинные, регуляция их размеров контролирует механические свойства актиновой сети. Белки, которые связываются с концами актиновых филаментов и предотвращают дальнейшую полимеризацию мономеров, называются кэпирующими белками. Некоторые кэпирующие белки связывают оперенные концы, в то время как другие ассоциируют с заостренными концами. Белки, образующие кэп на оперенном конце, ограничивают длину филамента, поскольку препятствуют элонгации. Белки, кэпирующие заостренный конец, предотвращают деполимеризацию актина.
К белкам, образующим кэп на оперенном конце, относятся CapZ, EPS8 и представители семейства гельзолин. Хотя кэпирующие и гельзолин-белки различаются по структуре и механизму действия, они связываются с оперенными концами филаментов и делают невозможным дальнейшее добавление мономеров. Эти белки обладают высоким сродством к оперенным концам филаментов и препятствуют добавлению актиновых субъединиц даже при высокой концентрации мономеров.
Свойства белков и копирующих белков гельзолина регулируются фосфолипидами плазматической мембраны. Фосфолипид фосфатидилинозитол 4,5-дифосфат (PIP2) разрушает связь между обоими типами копирующих белков и оперенными концами актиновых филаментов. Поэтому они обеспечивают декэпирование филаментов или предотвращают их копирование на плазматической мембране. Фосфолипид PIP2 расположен во внутреннем слое плазматической мембраны и участвует во внутриклеточной системе передачи сигналов.
Уровень PIP2 меняется в зависимости от сигнала, поступающего с поверхностных рецепторов клетки, сопряженных с одним из G-белков. Путем регуляции копирования на клеточной мембране можно контролировать элонгацию филаментов. Этот процесс является ключевым в миграции клеток и протрузии мембран. Уровень активности копирующих белков может влиять на тип протрузии (ламеллоподии или филоподии).
Тропомодулины представляют собой семейство широко распространенных копирующих белков, которые в присутствии регуляторного актинового белка тропо-миозина обладают высоким сродством к заостренным концам актиновых филаментов. Тропомодулины контролируют длину актиновых филаментов волокон поперечно-полосатых мышц. Они также регулируют длину актиновых филаментов и динамику их сборки в эритроцитах и эпителиальных клетках
По данным экспериментов in vitro, скорость элонгации линейно зависит от концентрации актиновых мономеров. Результаты эксперимента, демонстрирующего, что полимеризация актина, главным образом, происходит на оперенном конце филамента.
Для нуклеации процесса элонгации использовали филамент, связанный с актином. По данным исследований in vitro, сборка акти-новых филаментов начинается,
когда исходная концентрация актиновых мономеров превышает критическую концентрацию, Сс.
мономер G-актин (глобулярный актин)- ассиметричный
(42кДа) состоит из двух доменов, по мере повышения ионной
силы агрегирует в скрученный в спираль полимер F-актин (фибриллярный
актин).
G-актин имеет участки связывания двухвалентных катионов
и нуклеотидов в физиологических условиях занятые Mg 2+
и ATP.
Полимеризация G-актина в F-актин
F-актин обладает полярностью (+) и (-) имеющих
различные свойства.
Молекула G-актина несет прочно связанную АТФ, который при
переходе в F-актин медленно гидролизуется до АДФ – проявляет
свойства АТФ-азы Полимеризация сопровождается гидролизом
АТФ, что не необходимо т.к. полимеризация идет и в присутствии
негидролизуемых аналогов АТФ
Полимеризация состоит из нескольких процессов: нуклеация,
элонгация, диссоциация,
фрагментация, стыковка.
Эти процессы протекают одновременно.
Нуклеация – соединение трех G-актинов –
инициация полимеризации.
Элонгация - наращивание цепи актина путем
присоединения G-актина к (+)-концу F-актина.
Диссоциация - укорачивание цепи. Деполимеризация
актина имеет одинаковую скорость с обоих концов
Фрагментация - в результате теплового движения
F-актин может фрагментироваться.
Стыковка - отдельные фрагменты могут соединяться
друг с другом конец в конец.
При конценрации G>F – одновременно происходит полимеризация
(+) и (–) конца.
Если G (–)-конца – тредмиллинг – движение F-актина
за счет одновременного наращивания (+)-конца и диссоциации
(-)-конца. При G ~ F – динамическое равновесие - происходит
полимеризация (+) и деполимеризация (–)-конца с затратой
энергии ATP G-актин связ с ATP и полимеризуясь гидролизует
ATP.при критических конц G-актина (+) конец удлиняется,
а (-) – укорачивается
Актиновые микрофиламенты
F-актин – фибриллярный, длина оборота спирали 37
нм, d=6-8нм.
Актинсвязывающие белки
Более 50 белков в цитоплазме связываются с актином выполняя
различные функции: регулируют объем G-актинового пула (профилин),
влияют на скорость полимеризации (виллин), стабилизируют
концы нитей (фрагин, а-актинин), сшивают филаменты др с
др или с др компонентами (виллин, α-актин, спектрин,
MARCKS, фимбрин), разрушают двойную спираль F-актина (гельзолин).
Активность этих белков регулируется Ca 2+ и протеинкиназами.
Имеется пять мест действия белков: с мономером
актина, с (+)-концом (оперенный), с (-)-концом (заостренный),
с боковой поверхностью. Актин-связывающие белки могут быть
чувствительны или нечувствительны к Ca 2+
1. Белки связывающиеся c мономером актина - подавляют нуклеацию
(профилин, фрагментин - чувствительны к Ca 2+ ).
Профилин с мономером способны надстраивать F-актин, а фрагментин
нет, блокируя и нуклеацию и элонгацию. Не чувствительные
к Ca 2+ ДНКазаI и белок связывающийся с витамином
D - функционируют вне клетки.
2. Кепирующие(+)-конец может быть блокирован кепирующими
белками - блокирование элонгации и стыковки, способствуют
нуклеации - появление укороченных филаментов (гельзолин,
виллин, фрагмин)
3. (-)-конец - инициирование нуклеации, подавление стыковки
и элонгации - увеличение числа и уменьшение длины фрагментов.
Акументин в макрофагах, бревин - сывороточный белок вызывает
быстрое снижение вязкости раствора F-актина. Оба белка не
чувствительны к Ca 2+
4. Не сшивающие - боковое связывание может как стабилизировать
так и дестабилизировать F-актин Тропомиозин (Ca-независим)
стабилизирует, северин, виллин (Ca-зависим) - связываясь
с F-актином разрезают его.
5. Сшивающие F-актин между собой с образованием геля. Такие
белки индуцируют нуклеацию. Такие белки димерны или имеют
два актин-связывающих домена. α-актин тромбоцитов,
виллин, фимбрин, актиногелин из макрофагов (Ca-независим).
кэпирующие белки - закрывают концы актиновых
филаментов, предотвращая полимеризацию-деполимеризацию,
способствуют прикреплению филамента к мембране.
фаллоидин – яд бледной поганки, связывается
с (-)-концом и ингибирует деполяризацию.
цитохалазин – токсин плесневых грибов присоединяется
к (+) концу, блокируя полимеризацию.
кэпирующие-фрагментирующие белки - фрагментируют
F-актин, вызывая переход геля в золь (гельзолин 90kD активируясь
Ca2+ 10-6M разрывает F-актин и связывается с его концами).
белки связывающие F-актин
| белок | M, kD | рис. | локализация и действие на F-актин |
| фасцин | 55 | филлоподии, ламелоподии, стресс-фибриллы, микроворсинки, акросома | |
| тропомиозин | 2x35 | стабилизирует F-актин, предотвращая фрагментацию | |
| миозин | 2x260 | скольжение нитей | |
| минимиозин | 150 | движение пузырьков | |
| профилин | 15 | запасение G-актина | |
| скруин | 102 | акросома | |
| вилин | 92 | микроворсинки | |
| дематин | 48 | кортикальная сеть эритроцитов | |
| фимбрин | 68 | адгезион. контакты, микроворсинки связ в пучки | |
| актинин | 2x102 | адгез контакты, микроворсинки связ в пучки | |
| спектрин | 2x265+2x260 | кортик сеть эритроц прикрепление к ПМ | |
| дистрофин | 427 | корт.сеть мыш волокон | |
| ABP120 | 92 | псевдоподии | |
| филамин | 2x280 | псевдоподии, стрессфибриллы сшивает в сети |
Структуры образуемые актином
Клеточный кортекс – сеть из актиновых филаментов
под плазматической мембраной.
Стресс-фибриллы - образуются, когда у клетки есть
возможность прикрепиться к субстрату
«МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ ПОДВИЖНОСТИ»
преподаватель - д.б.н., профессор Е.А. Смирнова
Цитоскелет. Компоненты цитоскелета – микротрубочки, актиновые филаменты (микрофиламенты), промежуточные филаменты. Общие принципы формирования и функции.
Микротрубочки. Мономеры α и β тубулина. Гетеродимер α и β тубулина как субъединица для сборки полимера. Изоформы тубулина. Посттрансляционные модификации тубулина. Разнообразие семейства тубулинов. Строение микротрубочки, образование протофиламентов, листков и цилиндрических структур. Полярность микротрубочек. Динамическое равновесие между тубулином и микротрубочками. Динамика полимеризации тубулина, участие ГТФ в этом процессе. Регуляция динамического состояния микротрубочек in vitro и in vivo. Динамическая нестабильность и тредмиллинг. Взаимодействие тубулина с антимикротрубочковыми веществами (колхицином, нокодазолом, винбластином и паклитакселем/таксолом). Локализация микротрубочек в различных типах клеток (фибробласты, эпителий, нервные клетки, мышечные клетки). Белки, ассоциированные с микротрубочками (MAP). Структурные/поверхностные МАР, белки связанные с концами микротрубочек (катастрофины, +TIP белки, -TIP белки), разрезающие белки, моторные белки микротрубочек. Стабилизирующие и дестабилизирующие белки семейства МАР. Роль белков семейства MAP в регуляции динамического состояния и функциях микротрубочек. Моторные белки микротрубочек. Белки семейства кинезинов. Разнообразие суперсемейства кинезинов. Строение молекулы классического кинезина. Структурные и функциональные домены тяжелых цепей кинезина. Направленность кинезин-зависимого транспорта. Плюс и минус-конец ориентированные кинезины. Механохимический цикл кинезина, активация его АТФ-азной активности микротрубочками. Понятие процессивности кинезин-зависимого транспорта. Роль кинезинов во внутриклеточном транспорте. Белки семейства динеинов. Флагеллярный и цитоплазматический динеин, строение динеинового комплекса. Структурные и функциональные домены динеина. Роль динеина в движении ресничек и жгутиков. Цитоплазматический динеин, прикрепление к микротрубочкам и карго, механохимический цикл динеина. Строение динактинового комплекса, его взаимодействие с динеином. Локализация динеина и динактинового комплекса в клетках. Внутриклеточный транспорт, зависимый от динеина.
Центросома и ЦОМТ, типы ЦОМТ. Строение центросомы в клетках животных, ее динамика в клеточном цикле. Роль центросомы в инициации сборки микротрубочек и организации микротрубочек в цитоплазме. γ тубулин, γ-TURC, γ-TUSC, их роль в инициации сборки микротрубочек. Рекрутирование γ-TURC в центросому, механизмы и белковые комплексы, участвующие в этом процессе. Заякоривание микротрубочек в центросоме. Другие белки-нуклеаторы микротрубочек. Заякоривание микротрубочек в центросоме. Строение центросомы: центриоли и перицентриолярный материал. Структура и белковый состав центриолей. Материнская и дочерняя центриоли: сходства, отличия, функции. Образование центриолей – матричная модель и формирование de novo. Механизмы формирования процетриолей, контроль роста и удлинения. Белки перицентриолярного материала и их функции. Центриолярный и центросомный циклы. Цикл дупликации центросомы. Поведение центросомы при изменении формы клеток и при движении клеток. Центриоль как базальное тело жгутика и реснички. Роль в формировании аксонемы. Строение и функции аксонемы реснички и жгутика. Нецентросомные центры организации микротрубочек. Роль центросомы и центриолей в клетке. Патология митоза, связанные с нарушением центросомального/центриолярного циклов. Аппарат Гольджи как ЦОМТ.
Актиновые микрофиламенты. Строение молекулы/мономера актина. Изоформы актина, их экспрессия в различных типах клеток. Полимеризация актина in vitro, G- и F-актин. Строение актинового филамента, полярность и ее определение с помощью декорирования миозиновыми головками. Динамика полимеризации актина, динамическое равновесие G- и F-актина, участие АТФ в этом процессе. Взаимодействие актина с фаллоидином, цитохалазинами и латрункулином и применение этих веществ в экспериментальных исследованиях. Нуклеация актиновых филаментов в клетках. Белки-нуклеаторы Arp2/3, формины, spire и другие. Формирование сети микрофиламентов при участии Arp2/3 и пучков микрофиламентов при участии форминов. Классы актин-связывающих белков, их роль в регуляции динамики микрофиламентов. Белки, связывающиеся с G-актином – тимозин, профилин. Белки, связывающиеся с F-актином. ADF/кофилин как универсальный регулятор деполимеризации актина, его роль в обеспечении клеточной подвижности. Кэпирующие белки и их влияние на полимеризацию актина. Разрезающие белки и их взаимодействие с актином. Белки образующие поперечные связи между актиновыми филаментами (пучкующие и образующие сети) - филамин, фимбрин, α– актинин, спектрин.
Актин в клеточном морфогенезе. Локализация актина в культивируемых клетках и в клетках организма in situ: стресс-фибриллы и клеточный кортекс. Функции кортикальной сети актина и стресс-фибрилл. Ламелоподии, филоподии. Расположение актиновых филаментов и регуляция их полимеризации на переднем крае движущихся по субстрату фибробластов и кератоцитов. Роль Arp2/3 и кофилина. Роль белков семейства RhoGTP в формировании пучков и сетей актиновых филаментов. Расположение актиновых филаментов в микроворсинках, роль виллина, фимбрина и белка CapZ в образовании микроворсинок. Взаимодействие актиновых филаментов с плазмалеммой. Фокальный контакт, его строение. Специфические белки фокальных контактов: винкулин, таллин и другие. Опосредованное интегринами взаимодействие пучков актиновых филаментов и межклеточного матрикса в зоне фокального контакта. Взаимодействие стресс - фибрилл с межклеточными контактами эпителиоцитов. Суперсемейство миозинов. Разнообразие и общие свойства миозинов. Сходства и отличия с кинезинами и динеинами. Структура разных молекул миозина и миозина II. Структурные и функциональные домены тяжелых цепей миозина. Механохимический цикл миозина. Скорость движения различных миозинов по актину. Локализация различных типов миозинов в немышечных клетках. Миозин I, его взаимодействие с мембранами и роль в образовании микроворсинок. Миозин V и его роль в движении клеточных органелл. Образование биполярных пучков миозина II in vitro и в немышечных клетках in vivo, строение этих пучков. Роль миозина II в движении клеток по субстрату. Расположение миозина II в стресс - фибриллах и функции стресс-фибрилл. Перестройки актомиозиновой системы при распластывании клеток по субстрату, движении и при делении клеток.
Промежуточные филаменты. Свойства промежуточных филаментов, их отличия от микротрубочек и актиновых филаментов. Экспрессия разных белков промежуточных филаментов в клетках и тканях. Молекулярная организация промежуточных филаментов. Структура палочковидного мономера промежуточных филаментов. Механизм сборки промежуточных филаментов из октамерных субъединиц (ULF). Динамика промежуточных филаментов в клетках. Классы промежуточных филаментов. Кератины I и II типа, группа белков III типа (виментин, GFAP, десмин), IV типа (нейрофиламенты), белки ламины. Строение ядерной ламины. Заболевания, связанные с нарушением структуры ламинов (ламинопатии). Нестандартный тип промежуточных филаментов. Белки промежуточных филаментов как маркеры типа клеток. Локализация промежуточных филаментов в клетках. Взаимодействие различных белков промежуточных филаментов при их совместной экспрессии в клетках. Белки IFAP (белки связанные с промежуточными филаментами) и их роль в организации сети промежуточных филаментов, и связи с другими элементами цитоскелета. Заболевания, связанные с дефектами промежуточных филаментов. Система промежуточных филаментов как интегратор клеточной и тканевой архитектуры.
Читайте также: