Mikrofilament - Microfilament

Aktincytoskelettet av mus embryo fibroblaster , färgade med Fluorescein isotiocyanat - phalloidin

Mikrofilament , även kallat aktinfilament , är proteinfilament i cytoplasman hos eukaryota celler som utgör en del av cytoskelet . De består främst av polymerer av aktin , men modifieras av och interagerar med många andra proteiner i cellen. Mikrofilament är vanligtvis cirka 7 nm i diameter och består av två strängar aktin. Mikrofilamentfunktioner inkluderar cytokines , amoeboid rörelse , cellmotilitet , förändringar i cellform, endocytos och exocytos , cellkontraktilitet och mekanisk stabilitet. Mikrofilament är flexibla och relativt starka, motstår böjning med flera piconewton-tryckkrafter och glödtrådsbrott med nanonewton-dragkrafter. Vid inducering av cellmotilitet förlängs ena änden av aktinfilamentet medan den andra änden dras ihop, förmodligen av myosin II molekylmotorer. Dessutom fungerar de som en del av aktomyosin -drivna kontraktila molekylära motorer, där de tunna filamenten fungerar som dragplattformar för myosins ATP -beroende dragning vid muskelkontraktion och pseudopodfrämjande . Mikrofilament har en tuff, flexibel ram som hjälper cellen i rörelse.

Historia

Aktin och mikrofilamentförmedlade processer har länge varit föremål för forskning. Den amerikansk-tyska botanisten George Engelmann (1879) föreslog att många typer av rörelser som observerades i växter och protozoer som cytoplasmatisk strömning och amoeboid rörelse i själva verket var en primitiv version av muskelkontraktionens rörelser .

På 1930-talet började Szent-Györgyi och medarbetare, som kränkte en av biokemins kanoner , att "studera resten istället för extraktet", det vill säga strukturproteiner och inte enzymer , vilket ledde till de många upptäckterna relaterade till mikrofilament.

Organisation

Aktinfilament samlas i två allmänna typer av strukturer: buntar och nätverk. Buntar kan bestå av polära filamentuppsättningar, där alla taggade ändar pekar på samma ände av bunten, eller icke-polära grupper, där de taggade ändarna pekar mot båda ändarna. En klass av aktinbindande proteiner , kallade tvärbindande proteiner, dikterar bildandet av dessa strukturer. Tvärbindande proteiner bestämmer filamentets orientering och avstånd i buntarna och nätverken. Dessa strukturer regleras av många andra klasser av aktinbindande proteiner, inklusive motorproteiner, förgreningsproteiner, avskärningsproteiner, polymerisationspromotorer och kapslingsproteiner.

In vitro självsammansättning

Mikrofilament är cirka 6 nm i diameter och är de tunnaste fibrerna i cytoskeletet. De är polymerer av aktinsubenheter (globulär aktin eller G-aktin), som som en del av fibern kallas filamentaktin eller F-aktin. Varje mikrofilament består av två spiralformade , sammanflätade delar av underenheter. Ungefär som mikrotubuli är aktinfilament polariserade. Elektronmikrografier har gett bevis på deras snabbt växande taggändar och deras långsamt växande spetsiga ände. Denna polaritet har bestämts av mönstret som skapats genom bindningen av myosin S1 -fragment: de själva är underenheter av det större myosin II -proteinkomplexet . Den spetsiga änden kallas vanligtvis minus ( -) änden och den taggade änden kallas plus (+) änden.

In vitro aktinpolymerisation, eller kärnbildning , börjar med självassociationen av tre G-aktinmonomerer för att bilda en trimer . ATP -bunden aktin binder sedan sig själv med taggänden och ATP hydrolyseras därefter . ATP -hydrolys sker med en halvtid på cirka 2 sekunder, medan halveringstiden för dissociationen av det oorganiska fosfatet är cirka 6 minuter. Denna autokatalyserade händelse minskar bindningsstyrkan mellan angränsande subenheter och destabiliserar således i allmänhet filamentet. In vivo aktinpolymerisation katalyseras av en klass av filamentändspårande molekylära motorer som kallas aktoklampiner . Nya bevis tyder på att hastigheten för ATP -hydrolys och hastigheten för monomerinkorporering är starkt kopplade.

Därefter dissocieras ADP -aktin långsamt från den spetsiga änden, en process som väsentligt accelereras av det aktinbindande proteinet, cofilin . ADP-bunden kofilin avbryter ADP-rika regioner närmast (-)-ändarna. Vid frisläppande dissocierar den fria aktinmonomeren långsamt från ADP, som i sin tur snabbt binder till den fria ATP som diffunderar i cytosolen och bildar därigenom de ATP-aktin-monomerenheter som behövs för ytterligare glödtrådsförlängning. Denna snabba omsättning är viktig för cellens rörelse. Slutkapslande proteiner som CapZ förhindrar tillsats eller förlust av monomerer vid filamentänden där aktinomsättning är ogynnsam, såsom i muskelapparaten.

Aktinpolymerisation tillsammans med kapslingsproteiner användes nyligen för att kontrollera den tredimensionella tillväxten av proteintråd för att utföra 3D-topologier som är användbara inom teknik och tillverkning av elektrisk sammankoppling. Elektrisk konduktivitet erhålls genom metallisering av proteinets 3D -struktur.

Mekanism för kraftgenerering

Som ett resultat av ATP -hydrolys förlängs filamenten cirka 10 gånger snabbare vid deras taggändar än deras spetsiga ändar. Vid steady-state matchar polymerisationshastigheten vid den taggiga änden depolymerisationshastigheten vid den spetsiga änden, och det sägs att mikrofilament är löpband . Löpning resulterar i förlängning i taggänden och förkortning i spetsänden, så att filamentet totalt rör sig. Eftersom båda processerna är energimässigt gynnsamma betyder det att kraft genereras, energin kommer slutligen från ATP.

Aktin i celler

Intracellulär aktin cytoskeletal montering och demontering regleras tätt av cell signalering mekanismer. Många signaltransduktionssystem använder aktinkytoskeletet som en ställning och håller dem vid eller nära det perifera membranets inre yta . Denna subcellulära plats möjliggör omedelbar reaktion på transmembranreceptorverkan och den resulterande kaskaden av signalbehandlingsenzymer.

Eftersom aktinmonomerer måste återvinnas för att upprätthålla höga hastigheter av aktinbaserad motilitet under kemotaxi , antas cellsignalering aktivera kofilin, det aktinfilamentdepolymeriserande proteinet som binder till ADP-rika aktinunderenheter närmast filamentets spetsiga ände och främjar filamentfragmentering , med samtidig depolymerisering för att frigöra aktinmonomerer. I de flesta djurceller är monomeraktin bundet till profilin och tymosin beta-4 , vilka båda företrädesvis binder med en-till-en stökiometri till ATP-innehållande monomerer. Även om tymosin beta-4 strikt är ett monomersekvestrerande protein, är profilins beteende mycket mer komplext. Profilin förbättrar monomerernas förmåga att montera genom att stimulera utbytet av aktinbundet ADP för lösningsfas-ATP för att ge aktin-ATP och ADP. Profilin överförs till framkanten på grund av sitt PIP 2- bindningsställe, och det använder sitt poly-L-prolinbindningsställe för att docka på slutspårande proteiner. När den är bunden laddas profilin-aktin-ATP in i monomerinsättningsstället för aktoklampinmotorer.

En annan viktig komponent i filamentbildning är Arp2/3 -komplexet , som binder till sidan av ett redan existerande glödtråd (eller "moderfilament"), där det kärnbildar bildandet av ett nytt dotterfilament i en 70 graders vinkel i förhållande till modern filament, som åstadkommer ett fläktliknande grenat filamentnätverk.

Specialiserade unika aktinskytoskeletala strukturer finns intill plasmamembranet. Fyra anmärkningsvärda exempel inkluderar röda blodkroppar , humana embryonala njurceller , neuroner och spermier . I röda blodkroppar bildas ett spektrin -aktin hexagonal gitter av sammankopplade korta aktinfilament. I mänskliga embryonala njurceller bildar kortikalaktinet en skalfri fraktal struktur. I neuronala axoner bildar aktin periodiska ringar som stabiliseras av spektrin och adducin. Och i däggdjurspermier bildar aktin en spiralformad struktur i mittstycket, dvs det första segmentet av flagellum .

Associerade proteiner

I icke-muskelceller bildas aktinfilament proximalt till membranytor. Deras bildning och omsättning regleras av många proteiner, inklusive:

  • Filament slutspårningsprotein (t.ex. forminer , VASP , N-WASP )
  • Filament-kärnbildare känd som Actin-Related Protein-2/3 (eller Arp2/3 ) -komplexet
  • Filamenttvärbindare (t.ex. α-aktinin, fascin och fimbrin )
  • Aktinmonomerbindande proteiner profilin och tymosin β4
  • Filament hullingförsedda-end cappers såsom Capping Protein och CapG, osv .
  • Filamentavskiljande proteiner som gelsolin .
  • Aktin depolymeriserande proteiner såsom ADF/ kofilin .

Aktinfilamentnätet i icke-muskelceller är mycket dynamiskt. Aktinfilamentnätet är anordnat med varje ände av filament fäst vid cellens perifera membran med hjälp av förlängningsmotorer med fastspänt filament, de ovannämnda "aktoklampinerna", bildade av en filament-tagg-ände och ett klämprotein (forminer) , VASP, Mena, WASP och N-WASP). Det primära substratet för dessa töjningsmotorer är profilin-aktin-ATP-komplex som direkt överförs till förlängande filamentändar. Den spetsiga änden av varje filament är orienterad mot cellens inre. Vid lamellipodial tillväxt genererar Arp2/3 -komplexet ett grenat nätverk, och i filopodia bildas en parallell uppsättning filament.

Actin fungerar som ett spår för myosin motorisk rörlighet

Myosinmotorer är intracellulära ATP-beroende enzymer som binder till och rör sig längs aktinfilament. Olika klasser av myosinmotorer har mycket olika beteenden, inklusive att utöva spänning i cellen och transportera lastvesiklar.

En föreslagen modell - aktoklampiner spårar filamentändar

En föreslagen modell föreslår förekomsten av aktinfilamentmotorer med spårtrådsspårande molekyler som kallas "aktoklampin". De föreslagna aktoklampinerna genererar de framdrivningskrafter som behövs för aktinbaserad rörlighet hos lamellipodia , filopodia , invadipodia, dendritiska taggar , intracellulära vesiklar och rörliga processer vid endocytos , exocytos , podosombildning och fagocytos . Actoclampin -motorer driver också sådana intracellulära patogener som Listeria monocytogenes , Shigella flexneri , Vaccinia och Rickettsia . När de monteras under lämpliga förhållanden kan dessa slutspårande molekylära motorer också driva biomimetiska partiklar.

Termen actoclampin härrör från acto - för att indikera inblandning av ett aktinfilament, som i actomyosin, och klämma för att indikera en spännanordning som används för att förstärka flexibla/rörliga föremål och för att säkert fästa två eller flera komponenter, följt av suffixet - i för att ange dess proteinursprung. Ett slutspårningsprotein för aktinfilament kan sålunda benämnas ett clampin.

Dickinson och Purich insåg att snabb ATP-hydrolys kan förklara krafterna som uppnås under aktinbaserad motilitet. De föreslog en enkel mekano-enzymatisk sekvens känd som Lock, Load & Fire-modellen, där ett ändspårande protein förblir tätt bundet ("låst" eller fastspänt) på slutet av en delfilament av det dubbelsträngade aktinfilamentet. Efter bindning till Glycyl-Prolyl-Prylyl-Prylyl-Prylyl-Prylyl-register på spårningsproteiner, levereras ("laddas") Profilin-ATP-aktin till den oklämda änden av det andra delfilamentet, varefter ATP inom den redan klämda terminalen subenheten i det andra subfragmentet hydrolyseras ("avfyras"), vilket ger den energi som behövs för att frigöra den armen i slutspåraren, som sedan kan binda ytterligare ett Profilin-ATP-aktin för att påbörja en ny monomertillsatsrunda.

Steg inblandade

Följande steg beskriver en kraftgenererande cykel för en aktoklampins molekylmotor:

  1. Polymerisationskofaktorprofilen och ATP · aktinet kombineras för att bilda ett profilin-ATP-aktinkomplex som sedan binder till slutspårningsenheten
  2. Kofaktorn och monomeren överförs till taggänden på ett aktin som redan är fastspänt filament
  3. Spårningsenheten och kofaktorn dissocierar från det intilliggande protofilamentet, i ett steg som kan underlättas av ATP -hydrolysenergi för att modulera affiniteten hos kofaktorn och/eller spårningsenheten för filamentet; och denna mekanoenzymatiska cykel upprepas sedan, med början denna gång på det andra underfilamentets tillväxtställe.

Vid drift med ATP-hydrolys genererar växelströmsmotorer per-filamentkrafter på 8–9 pN, vilket är mycket större än per-filamentgränsen på 1-2 pN för motorer som drivs utan ATP-hydrolys. Termen aktoklampin är generisk och gäller alla aktinfilamentets slutspårande molekylära motorer, oavsett om de drivs aktivt av en ATP-aktiverad mekanism eller passivt.

Vissa aktoklampiner (t.ex. de som involverar Ena/VASP-proteiner, WASP och N-WASP) kräver tydligen Arp2/3-medierad filamentinitiering för att bilda aktinpolymerisationskärnan som sedan "laddas" på slutspåraren innan processiv motilitet kan börja . För att generera ett nytt filament kräver Arp2/3 ett "moder" -tråd, monomer ATP-aktin och en aktiverande domän från Listeria ActA eller VCA-regionen i N-WASP. Arp2/3-komplexet binder till modertrådens sida och bildar en Y-formad gren med en 70 graders vinkel i förhållande till moderfilamentets längdaxel. Sedan vid aktivering av ActA eller VCA antas Arp-komplexet genomgå en stor konformationsförändring, vilket bringar dess två aktinrelaterade proteinunderenheter tillräckligt nära varandra för att generera en ny filamentport. Huruvida ATP-hydrolys kan krävas för kärnbildning och/eller Y-grenfrisättning är en fråga som aktivt undersöks.

Referenser

externa länkar