MIKROVLÁKNA: CHARAKTERISTIKA, ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE, PATOLÓGIA - BIOLÓGIE - 2026

Tieto mikrovlákna alebo aktínu vlákien, sú jedným z troch hlavných zložiek cytoskeletu eukaryotických buniek (mikrovlákien, mikrotubuly a intermediálnych filament) a skladajú sa z malých vlákien bielkoviny zvanej aktínu (aktínu polymérov).

V eukaryotoch sú gény, ktoré kódujú aktínové mikrofilamenty, vysoko konzervované vo všetkých organizmoch, a preto sa často používajú ako molekulárne markery na štúdium rôznych druhov.

Fotografie aktínových vlákien zafarbenej bunky (Zdroj: Howard Vindin prostredníctvom Wikimedia Commons)

Mikrovlákna sú distribuované v cytosóle, sú však zvlášť bohaté v oblasti pod plazmatickou membránou, kde tvoria komplexnú sieť a spájajú sa s inými špeciálnymi proteínmi za vzniku cytoskeletu.

Mikrofilamentové siete v cytoplazme cicavčích buniek sú kódované dvoma zo šiestich génov opísaných pre aktín, ktoré sú zapojené do dynamiky mikrofilamentov a sú dokonca veľmi dôležité počas diferenciácie kmeňových buniek.

Mnoho autorov súhlasí s tým, že mikrofilamenty sú najrozmanitejšími, najuniverzálnejšími a najdôležitejšími proteínmi v cytoskelete väčšiny eukaryotických buniek, a je potrebné si uvedomiť, že sa nenachádzajú v prokaryotických mikroorganizmoch.

Na druhej strane v tomto type buniek existujú vlákna, ktoré sú homológne s mikrovláknami, ale ktoré sú tvorené iným proteínom: proteínom MreB.

V súčasnosti sa gén kódujúci tento proteín považuje za možný pôvodný gén pre aktín v eukaryotoch. Avšak sekvenčná homológia aminokyselín, ktoré tvoria proteín MreB, je iba 15% vzhľadom na aktínovú sekvenciu.

Pretože sú základnou súčasťou cytoskeletu, akýkoľvek fenotypový defekt v mikrotubulách aj medziľahlých vláknach a aktínových mikrofilmoch (cytoskelet) môže spôsobiť rôzne bunkové a systémové patológie.

Charakteristiky a štruktúra

Mikrovlákna sa skladajú z proteínových monomérov aktínovej rodiny, ktoré sú vysoko hojnými kontraktívnymi proteínmi v eukaryotických bunkách, pretože sa tiež podieľajú na sťahovaní svalov.

Tieto vlákna majú priemer medzi 5 a 7 nm, a preto sú známe aj ako tenké vlákna a sú vyrobené z dvoch foriem aktínu: guľovitej formy (G aktín) a vláknitej formy (F aktín).

Proteíny, ktoré sa zúčastňujú cytoskeletu, sú známe ako y a P aktíny, zatiaľ čo proteíny, ktoré sa zúčastňujú kontrakcie, sú zvyčajne a aktíny.

Podiel globulárneho aktínu a vláknitého aktínu v cytosole závisí od potrieb buniek, pretože mikrofilamenty sú vysoko variabilné a univerzálne štruktúry, ktoré sa neustále rastú a skracujú polymerizáciou a depolymerizáciou.

G aktín je malý globulárny proteín, ktorý sa skladá z takmer 400 aminokyselín a má molekulovú hmotnosť približne 43 kDa.

G-aktínové monoméry, ktoré tvoria mikrovlákna, sú usporiadané vo forme špirálovitého vlákna, pretože každá z nich prechádza zákrutom, keď je spojená s ďalším.

G aktín sa asociuje s jednou molekulou Ca2 + a ďalšou z ATP, ktorá stabilizuje jeho globulárnu formu; zatiaľ čo F-aktín sa získa po hydrolýze terminálneho fosfátu molekuly ATP na G-aktín, čo prispieva k polymerizácii.

Organizácia

Aktínové vlákna môžu byť usporiadané do „zväzkov“ alebo „sietí“, ktoré majú v bunkách rôzne funkcie. Zväzky tvoria paralelné štruktúry spojené pomerne tuhými priečnymi mostami.

Na druhej strane sú to siete voľnejšie štruktúry, ako trojrozmerné oká s vlastnosťami polotuhých gélov.

Existuje veľa proteínov, ktoré sa spájajú s aktínovými vláknami alebo mikrofilamentami a sú známe ako ABP (aktín viažuce proteíny), ktoré majú pre to špecifické miesta.

Mnohé z týchto proteínov umožňujú interakciu mikrofilamentov s ďalšími dvoma zložkami cytoskeletu: mikrotubuly a medziľahlé vlákna, ako aj s ostatnými zložkami na vnútornej strane plazmovej membrány.

Medzi ďalšie proteíny, s ktorými mikrovlákna interagujú, patria jadrové laminy a spektrín (v červených krvinkách).

Ako sa tvoria aktínové vlákna?

Pretože globulárne aktínové monoméry sa vždy viažu rovnakým spôsobom, orientované rovnakým smerom, majú mikrofilamenty definovanú polaritu, ktorá má dva konce: jeden „viac“ a jeden „menej“.

Polarita týchto vlákien je veľmi dôležitá, pretože na svojom pozitívnom konci, kde sa pridávajú nové monoméry G-aktínu, rastú podstatne rýchlejšie.

Grafické znázornenie tvorby aktinových mikrofilamentov (Zdroj: odvodené dielo: Retama (talk) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström prostredníctvom Wikimedia Commons)

Prvá vec, ktorá sa vyskytuje počas polymerizácie aktínových filamentov, je proces známy ako „nukleácia“, ktorý spočíva v asociácii troch monomérov proteínu.

K tomuto triméru sa na oboch koncoch pridávajú nové monoméry, takže vlákno rastie. G-aktínové monoméry sú schopné hydrolyzovať ATP s každou väzbou, čo má implikácie pre rýchlosť polymerizácie, pretože skupiny aktín-ATP disociujú s väčšou ťažkosťou ako skupiny aktín-ADP.

ATP nie je potrebný na polymerizáciu a špecifická úloha jeho hydrolýzy ešte nebola objasnená.

Niektorí autori sa domnievajú, že keďže polymerizačné udalosti aktínu sú rýchlo reverzibilné, ATP spojené s týmito procesmi môže predstavovať až 40% celkového bunkového obratu tejto energetickej molekuly.

predpis

Polymerizácia aktínových filamentov a ich depolymerizácia sú procesy vysoko regulované radom špecifických proteínov, ktoré sú zodpovedné za remodeláciu filamentov.

Príklady proteínov, ktoré regulujú depolymerizáciu, sú aktínový depolymerizačný faktor kofilín. Iný proteín, profilín, má opačnú funkciu, pretože stimuluje asociáciu monomérov (stimuláciou výmeny ADP za ATP).

Vlastnosti

Mikrovlákna interagujú s myozínovými vláknami, ktoré sú asociované s transmembránovými proteínmi, ktoré majú doménu v cytosole a ďalšie v bunkovom exteriéri, a tak sa podieľajú na procesoch bunkovej mobility.

Tieto mikrovlákna spojené s plazmatickou membránou sprostredkúvajú rôzne bunkové reakcie na rôzne triedy stimulov. Napríklad bunková adhézia v epitelových tkanivách je riadená transmembránovými proteínmi známymi ako kadheríny, ktoré interagujú s mikrofilamentmi, aby získavali faktory odozvy.

Aktínové vlákna interagujú so strednými vláknami a spôsobujú prenos extracelulárnych stimulov na kľúčové miesta, ako sú ribozómy a chromozómy v jadre.

Znázornenie vnútrobunkovej motorickej funkcie aktínových mikrofilamentov (Zdroj: Boumphreyfr prostredníctvom Wikimedia Commons)

Klasická a dobre preštudovaná funkcia mikrofilamentov je ich schopnosť vytvárať „mosty“, „koľajnice“ alebo „diaľnice“ pre pohyb motorového proteínu myozínu I, ktorý je schopný naložiť transportné vezikuly z organel na membránu. plazma v sekrečných dráhach.

Mikrovlákna tiež interagujú s myozínom II a vytvárajú kontraktilný kruh, ktorý sa tvorí počas cytokinézy, presne v poslednom štádiu bunkového delenia, v ktorom je cytosol separovaný od kmeňových a dcérskych buniek.

Všeobecne F-aktínové mikrofilamenty modulujú distribúciu niektorých organel, ako je Golgiho komplex, endoplazmatické retikulum a mitochondrie. Ďalej sa tiež podieľajú na priestorovom umiestňovaní mRNA tak, aby boli čítané ribozómami.

Celá bunková sústava mikrofilamentov, najmä tie, ktoré úzko súvisia s plazmatickou membránou, sa podieľajú na tvorbe zvlnených membrán buniek, ktoré majú konštantný aktívny pohyb.

Podieľajú sa tiež na tvorbe mikrovill a iných bežných hrboliek na povrchu mnohých buniek.

Príklad funkcií v pečeni

Mikrovlákna sa podieľajú na procese vylučovania žlče v hepatocytoch (pečeňových bunkách) a tiež na peristaltických pohyboch (koordinovaná kontrakcia) pečeňových kanálikov.

Prispievajú k diferenciácii plazmových membránových domén vďaka ich asociácii s rôznymi cytosolovými prvkami a kontrole, ktorú vykonávajú nad topografiou týchto intracelulárnych prvkov.

Súvisiace patológie

S primárnymi defektmi v štruktúre alebo s regulačnými proteínmi a enzýmami pri syntéze mikrofilamentov je málo chorôb, napriek tomu, že sú priamo zapojené do veľkého počtu funkcií.

Nízka miera chorôb a malformácií v primárnej štruktúre mikrofilamentov je spôsobená skutočnosťou, že vo všeobecnosti existuje viac génov, ktoré kódujú aktín aj jeho regulačné proteíny, čo je jav známy ako „genetická redundancia“.

Jednou z najviac študovaných patológií je vitrifikácia oocytov na ich cytoskelete, kde sa pozoruje prerušenie v sieti kortikálnych mikrofilamentov, ako aj depolymerizácia a dezorganizácia mikrotubúl mitotického vretena.

Všeobecne táto vitrifikácia spôsobuje chromozomálnu disperziu, pretože vedie k narušeniu zhutnenia všetkého chromatínu.

Bunky, ktoré majú väčšiu organizáciu a podiel mikrofilamentov vo svojom cytoskelete, sú bunky pruhovaného svalu, preto je väčšina patológií spojená s poruchou kontraktilného aparátu.

Defektné alebo atypické mikrofilamenty boli tiež spojené s chorobou kostí známou ako Pagetova choroba.

Referencie

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C. a Vicente-Manzanares, M. (2017). Dynamika adhézie koordinovaná mikrovláknami riadi migráciu jednotlivých buniek a formuje celé tkanivá. F1000Výskum, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, a Nosworthy, NJ (2003). Proteíny viažuce aktín: regulácia cytoskeletálnych mikrofilamentov. Physiological Reviews, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistabilita pri synchronizácii aktivovaných mikrofilmov. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., a Vacanti, JP (vyd.). (2011). Princípy tkanivového inžinierstva. Akademická tlač.
5. Robbins, J. (2017). Choroby cytoskeletu: desminopatie. Kardioskeletálne myopatie u detí a mladých dospelých (s. 173-192). Academic Press.