FILAMENTY POŚREDNIE: BUDOWA, RODZAJE, FUNKCJE - BIOLOGIA - 2026

Te włókna pośrednie , znane także w literaturze jako „FI” (z angielskiego włókien pośrednie) stanowią rodzinę białek włóknistych cytosolowe nierozpuszczalne substancje są obecne we wszystkich komórkach wielokomórkowych organizmów eukariotycznych.

Są częścią cytoszkieletu, który jest wewnątrzkomórkową siecią włókienkową, która jest głównie odpowiedzialna za wsparcie struktury komórkowej i różnych procesów metabolicznych i fizjologicznych, takich jak transport pęcherzyków, ruch i przemieszczanie komórek itp.

Mikroskopia immunofluorescencyjna dwóch białek pośrednich włókien astrocytów (Vimentin i GFAP) (źródło: GerryShaw za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Wraz z mikrotubulami i mikrowłóknami, włókna pośrednie uczestniczą w przestrzennej organizacji organelli wewnątrzkomórkowych, w procesach endocytozy i egzocytozy, a także w procesach podziału komórek i komunikacji międzykomórkowej.

Pierwszymi badanymi i opisywanymi włóknami pośrednimi były keratyny, jeden z pierwszych typów białek, których strukturę analizowano metodą dyfrakcji rentgenowskiej w latach trzydziestych XX wieku.

Koncepcja włókien pośrednich została jednak wprowadzona w latach 80. XX wieku przez Lazaridesa, który opisał je jako złożone „mechaniczne integratory przestrzeni komórkowej” charakteryzujące się ich nierozpuszczalnością i zdolnością do ponownego składania in vitro po denaturacji.

Wielu autorów uważa je za elementy „buforujące” stres dla komórek zwierzęcych, ponieważ są one bardziej elastycznymi włóknami niż mikrotubule i mikrofilamenty. Znajdują się nie tylko w cytoszkieletu, ale są również częścią jądra szkieletu.

W przeciwieństwie do innych włóknistych składników cytoszkieletu, włókna pośrednie nie biorą bezpośredniego udziału w procesach mobilności komórek, ale pełnią raczej funkcję w utrzymaniu strukturalnym i odporności mechanicznej komórek.

Struktura

Źródło: http://rsb.info.nih.gov/ij/images/

Włókna pośrednie mają przybliżoną średnicę 10 nm, cechę strukturalną, dla której zostały nazwane, ponieważ ich rozmiar mieści się między rozmiarami odpowiadającymi filamentom miozyny i aktyny, które są między 25 a 7 nm. odpowiednio.

Różnią się one strukturalnie od pozostałych dwóch typów włókien cytoszkieletu, które są kulistymi polimerami białkowymi, ponieważ ich jednostkami składowymi są odrębne białka włókniste α-helikalne o dużej długości, które skupiają się razem, tworząc struktury podobne do lin.

Wszystkie białka tworzące włókna pośrednie mają podobną organizację molekularną, składającą się z domeny α-helikalnej lub „sznurowej”, która ma różne ilości segmentów „tworzących zwoje” o tej samej wielkości.

Ta helikalna domena jest flankowana przez N-końcową niehelikalną „głowę” i niehelikalny „ogon” na C-końcu, z których oba różnią się zarówno wielkością, jak i sekwencją aminokwasową.

W sekwencji tych dwóch końców znajdują się motywy konsensusu, które są wspólne dla 6 znanych typów włókien pośrednich.

U kręgowców domena „struny” cytozolowych białek z włókien pośrednich składa się z około 310 reszt aminokwasowych, podczas gdy bezkręgowce i białka cytozolowe blaszki jądrowej mają długość około 350 aminokwasów.

montaż

Włókna pośrednie to „samoorganizujące się” struktury, które nie posiadają aktywności enzymatycznej, co również odróżnia je od ich odpowiedników w cytoszkieletach (mikrotubule i mikrofilamenty).

Struktury te są początkowo złożone jako tetramery białek nitkowatych, które tworzą je pod wpływem tylko jednowartościowych kationów.

Te tetramery mają długość 62 nm, a ich monomery łączą się ze sobą poprzecznie, tworząc włókna o jednostkowej długości (UFL), znane jako faza 1 składania, która zachodzi bardzo szybko. .

UFL są prekursorami długich włókien, a ponieważ tworzące je dimery są połączone ze sobą w sposób przeciwrównoległy i schodkowy, jednostki te mają domenę centralną z dwiema domenami flankującymi, przez które następuje faza 2 wydłużenia. , gdzie występuje połączenie wzdłużne innych UFL.

Podczas tego, co określono jako fazę 3 montażu, następuje promieniowe zagęszczenie średnicy włókien, co prowadzi do powstania dojrzałych włókien pośrednich o średnicy mniej więcej 10 nm.

cechy

Funkcje włókien pośrednich zależą w dużej mierze od rodzaju rozpatrywanej komórki, aw przypadku zwierząt (w tym ludzi) ich ekspresja jest regulowana w sposób tkankowo-specyficzny, dlatego też zależy od rodzaju tkanki. niż w badaniu.

Nabłonki, mięśnie, komórki mezenchymalne i glejowe oraz neurony mają różne typy włókien, wyspecjalizowane w zależności od funkcji komórek, do których należą.

Wśród tych funkcji najważniejsze są strukturalne utrzymanie komórek i odporność na różne naprężenia mechaniczne, ponieważ struktury te mają pewną elastyczność, która pozwala im amortyzować różne rodzaje sił wywieranych na komórki.

Rodzaje filamentów pośrednich

Białka tworzące włókna pośrednie należą do dużej i niejednorodnej rodziny białek nitkowatych, różniących się chemicznie, ale podzielonych na sześć klas zgodnie z ich homologią sekwencji (I, II, III, IV, V i VI).

Chociaż nie jest to bardzo powszechne, różne typy komórek, w bardzo szczególnych warunkach (rozwój, transformacja komórek, wzrost itp.) Mogą współekspresjonować więcej niż jedną klasę białek tworzących włókna pośrednie

Włókna pośrednie klasy I i II: keratyny kwaśne i zasadowe

Keratyny stanowią większość białek we włóknach pośrednich, a u ludzi stanowią ponad trzy czwarte włókien pośrednich.

Mają masy cząsteczkowe wahające się od 40 do 70 kDa i różnią się od innych białek włókien pośrednich wysoką zawartością reszt glicyny i seryny.

Znane są jako keratyny kwaśne i zasadowe ze względu na ich punkty izoelektryczne, które wynoszą od 4,9 do 5,4 dla kwaśnych keratyn i od 6,1 do 7,8 dla zasadowych.

W tych dwóch klasach opisano około 30 białek, które są obecne zwłaszcza w komórkach nabłonka, gdzie oba typy białek „kopolimeryzują” i tworzą złożone włókna.

Wiele keratyn z włókien pośrednich z przypadku I znajduje się w strukturach, takich jak włosy, paznokcie, rogi, kolce i pazury, podczas gdy te z klasy II są najbardziej obfite w cytozolu.

Włókna pośrednie klasy III: białka typu desmina / wimentyny

Desmina to białko kwaśne o masie 53 kDa, które w zależności od stopnia fosforylacji ma różne warianty.

Niektórzy autorzy nazywali również włókna desminy „pośrednimi włóknami mięśniowymi”, ponieważ ich obecność jest dość ograniczona, chociaż w małych ilościach, do wszystkich typów komórek mięśniowych.

W miofibrylach desmina znajduje się w linii Z, więc uważa się, że białko to przyczynia się do funkcji kurczliwości włókien mięśniowych, działając na styku miofibryli i błony komórkowej.

Zdjęcie barwienia białka Vimentin, białka włókienek pośrednich komórek nabłonka i embrionów (źródło: Viktoriia Kosach via Wikimedia Commons)

Z kolei wimentyna jest białkiem obecnym w komórkach mezenchymalnych. Włókna pośrednie utworzone przez to białko są elastyczne i, jak stwierdzono, są odporne na wiele zmian konformacyjnych, które zachodzą podczas cyklu komórkowego.

Występuje w fibroblastach, komórkach mięśni gładkich, białych krwinkach i innych komórkach układu krążenia zwierząt.

Włókna pośrednie klasy IV: białka neurofilamentów

Znana również jako „neurofilamenty”, ta klasa włókien pośrednich zawiera jeden z podstawowych elementów strukturalnych neuronalnych aksonów i dendrytów; są one często związane z mikrotubulami, które również tworzą te struktury.

Wyizolowano neurofilamenty kręgowców, określając, że jest to triplet białek o masie 200, 150 i 68 kDa, które uczestniczą w składaniu in vitro.

Różnią się one od innych włókien pośrednich tym, że mają boczne ramiona jako „wypustki”, które wystają z ich obrzeża i które działają we wzajemnym oddziaływaniu między sąsiednimi włóknami i innymi strukturami.

Komórki glejowe wytwarzają specjalny rodzaj włókienek pośrednich zwanych włóknami pośrednimi gleju, które różnią się strukturalnie od neurofilamentów tym, że składają się z pojedynczego białka o masie 51 kDa i mają różne właściwości fizykochemiczne.

Filament pośredni klasy V: włókna blaszki jądrowej

Wszystkie blaszki, które są częścią szkieletu nuklearnego, są w rzeczywistości białkami włókien pośrednich. Mają one masę cząsteczkową od 60 do 75 kDa i znajdują się w jądrach wszystkich komórek eukariotycznych.

Są niezbędne dla wewnętrznej organizacji obszarów jądrowych i dla wielu funkcji tych organelli niezbędnych dla istnienia eukariontów.

Włókno pośrednie klasy VI: Nestinas

Ten rodzaj włókna pośredniego waży około 200 kDa i występuje głównie w komórkach macierzystych ośrodkowego układu nerwowego. Są wyrażane podczas rozwoju neuronalnego.

Powiązane patologie

U ludzi występuje wiele chorób związanych z włóknami pośrednimi.

Na przykład w niektórych typach raka, takich jak czerniaki złośliwe lub raki piersi, koekspresja pośrednich włókien wimentyny i keratyny prowadzi do różnicowania lub wzajemnej konwersji komórek nabłonka i mezenchymalnych.

Wykazano eksperymentalnie, że zjawisko to zwiększa migracyjną i inwazyjną aktywność komórek nowotworowych, co ma ważne implikacje dla procesów przerzutowych charakterystycznych dla tego stanu.

Eriksson i wsp. (2009) dokonują przeglądu różnych typów chorób i ich związku z określonymi mutacjami w genach zaangażowanych w tworzenie sześciu typów włókien pośrednich.

Choroby związane z mutacjami w genach kodujących dwa typy keratyny to pęcherzowy rozpad naskórka, hiperkeratoza naskórkowa, dystrofia rogówki, rogowacenie i wiele innych.

Włókna pośrednie typu III biorą udział w wielu kardiomiopatiach i różnych chorobach mięśni, głównie związanych z dystrofiami. Ponadto są również odpowiedzialne za dominującą zaćmę i niektóre typy stwardnienia rozsianego.

Wiele zespołów i zaburzeń neurologicznych jest związanych z włóknami typu IV, takimi jak choroba Parkinsona. W ten sam sposób defekty genetyczne włókien typu V i VI są odpowiedzialne za rozwój różnych chorób autosomalnych i związane z funkcjonowaniem jądra komórkowego.

Przykładami są między innymi zespół Hutchinsona-Gilforda progeria, dystrofia mięśniowa Emery'ego-Dreifussa.

Bibliografia

1. Anderton, BH (1981). Włókna pośrednie: rodzina struktur homologicznych. Journal of Muscle Research and Cell Motility, 2 (2), 141–166.
2. Eriksson, JE, Pallari, H., Robert, D., Eriksson, JE, Dechat, T., Grin, B.,… Goldman, RD (2009). Przedstawiamy filamenty pośrednie: od odkrycia do choroby. The Journal of Clinical Investigation, 119 (7), 1763–1771.
3. Fuchs, E. i Weber, K. (1994). Włókna pośrednie: struktura, dynamika, funkcja i choroba. Annu. Rev. Biochem. , 63, 345–382.
4. Hendrix, MJC, Seftor, EA, Chu, YW, Trevor, KT i Seftor, REB (1996). Rola włókienek pośrednich w migracji, inwazji i przerzutach. Cancer and Metastasis Reviews, 15 (4), 507–525.
5. Herrmann, H. i Aebi, U. (2004). Włókna pośrednie: struktura molekularna, mechanizm składania i integracja z funkcjonalnie odrębnymi rusztowaniami wewnątrzkomórkowymi. Annual Review of Biochemistry, 73 (1), 749–789.
6. Herrmann, H. i Aebi, U. (2016). Filamenty pośrednie: struktura i montaż. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 8, 1–22.
7. McLean, I. i Lane, B. (1995). Włókna pośrednie w chorobie. Current Opinion in Cell Biology, 7 (1), 118–125.
8. Steinert, P. i Roop, D. (1988). Biologia molekularna i komórkowa włókien pośrednich. Annual Review of Biochemistry, 57 (1), 593–625.
9. Steinert, P., Jones, J. i Goldman, R. (1984). Włókna pośrednie. The Journal of Cell Biology, 99 (1), 1–6.