MIKROFILAMENTY: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA, FUNKCJE, PATOLOGIA - BIOLOGIA - 2026

W mikrofilamentów lub aktyny włókien, jest jednym z trzech głównych elementów składowych szkieletu komórkowego komórek eukariotycznych (mikrofilamentów, mikrotubul i filamentów pośrednich) i składają się z drobnych włókien białka zwanego aktyny (aktyna polimerów).

U eukariontów geny kodujące mikrofilamenty aktyny są silnie konserwowane we wszystkich organizmach, dlatego często są wykorzystywane jako markery molekularne do badań różnego rodzaju.

Zdjęcie filamentów aktynowych wybarwionej komórki (źródło: Howard Vindin za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Mikrowłókna są rozmieszczone w całym cytozolu, ale są one szczególnie obfite w regionie leżącym pod błoną plazmatyczną, gdzie tworzą złożoną sieć i łączą się z innymi specjalnymi białkami, tworząc cytoszkielet.

Sieci mikrowłókien w cytoplazmie komórek ssaków są kodowane przez dwa z sześciu genów opisanych dla aktyny, które biorą udział w dynamice mikrowłókien, a nawet są bardzo ważne podczas różnicowania komórek macierzystych.

Wielu autorów zgadza się, że mikrowłókna są najbardziej różnorodnymi, wszechstronnymi i ważnymi białkami w cytoszkieletie większości komórek eukariotycznych i należy pamiętać, że nie występują one w mikroorganizmach prokariotycznych.

Z drugiej strony w tego typu komórkach znajdują się włókna homologiczne do mikrowłókien, ale zbudowane z innego białka: białka MreB.

Obecnie uważa się, że gen kodujący to białko może być genem przodków aktyny u eukariontów. Jednak homologia sekwencji aminokwasów tworzących białko MreB wynosi tylko 15% w odniesieniu do sekwencji aktyny.

Ponieważ są one podstawową częścią cytoszkieletu, każdy defekt fenotypowy zarówno w mikrotubulach, jak i we włóknach pośrednich i mikrofilamentach aktyny (cytoszkielet) może powodować różne patologie komórkowe i ogólnoustrojowe.

Charakterystyka i struktura

Mikrofilamenty składają się z monomerów białek z rodziny aktyn, które są bardzo obficie białkami kurczliwymi w komórkach eukariotycznych, ponieważ uczestniczą również w skurczach mięśni.

Włókna te mają średnicę od 5 do 7 nm, dlatego są również znane jako cienkie włókna i składają się z dwóch form aktyny: postaci kulistej (aktyna G) i postaci nitkowatej (aktyna F).

Białka, które uczestniczą w cytoszkieletu, są znane jako γ i β aktyny, podczas gdy te, które uczestniczą w skurczu, to zwykle α aktyny.

Udział aktyny kulistej i aktyny nitkowatej w cytozolu zależy od potrzeb komórkowych, ponieważ mikrowłókna są strukturami bardzo zmiennymi i wszechstronnymi, które stale rosną i skracają się w wyniku polimeryzacji i depolimeryzacji.

Aktyna G to małe białko globularne, składające się z prawie 400 aminokwasów i o masie cząsteczkowej około 43 kDa.

Monomery G-aktyny, które tworzą mikrowłókna są ułożone w postaci spiralnej nici, ponieważ każdy podlega skręceniu, gdy jest połączony z następnym.

Aktyna G wiąże się z jedną cząsteczką Ca2 + i inną ATP, co stabilizuje jej postać globularną; podczas gdy F-aktyna jest otrzymywana po hydrolizie końcowego fosforanu cząsteczki ATP do G-aktyny, która przyczynia się do polimeryzacji.

Organizacja

Włókna aktynowe mogą być organizowane w „wiązki” lub „sieci”, które mają różne funkcje w komórkach. Wiązki tworzą równoległe struktury połączone dość sztywnymi mostkami krzyżowymi.

Z drugiej strony sieci są luźniejszymi strukturami, jak trójwymiarowe siatki o właściwościach półstałych żeli.

Istnieje wiele białek, które wiążą się z filamentami aktyny lub mikrofilamentami i są znane jako ABP (białka wiążące aktynę), które mają dla nich określone miejsca.

Wiele z tych białek umożliwia interakcję mikrofilamentów z dwoma pozostałymi składnikami cytoszkieletu: mikrotubulami i włóknami pośrednimi, a także z innymi składnikami na wewnętrznej stronie błony komórkowej.

Inne białka, z którymi oddziałują mikrofilamenty, obejmują blaszki jądrowe i spektynę (w krwinkach czerwonych).

Jak powstają włókna aktynowe?

Ponieważ globularne monomery aktyny zawsze wiążą się w ten sam sposób, zorientowane w tym samym kierunku, mikrofilamenty mają określoną biegunowość, z dwoma końcami: jednym „więcej” i jednym „mniej”.

Biegunowość tych włókien jest bardzo ważna, ponieważ rosną one znacznie szybciej na ich dodatnim końcu, do którego dodawane są nowe monomery G-aktyny.

Graficzne przedstawienie tworzenia się mikrofilamentów aktyny (źródło: praca pochodna: Retama (dyskusja) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström via Wikimedia Commons)

Pierwszą rzeczą, jaka zachodzi podczas polimeryzacji włókien aktynowych, jest proces zwany „zarodkowaniem”, który polega na asocjacji trzech monomerów białka.

Nowe monomery są dodawane do tego trimeru na obu końcach, tak że włókno rośnie. Monomery G-aktyny są zdolne do hydrolizy ATP przy każdym wiązaniu, co ma wpływ na szybkość polimeryzacji, ponieważ reszty aktyna-ATP dysocjują z większą trudnością niż reszty aktyny-ADP.

ATP nie jest niezbędny do polimeryzacji, a specyficzna rola jego hydrolizy nie została jeszcze wyjaśniona.

Niektórzy autorzy uważają, że skoro zdarzenia polimeryzacji aktyny są szybko odwracalne, ATP związane z tymi procesami może stanowić do 40% całkowitego obrotu komórkowego tej cząsteczki energetycznej.

Rozporządzenie

Zarówno polimeryzacja filamentów aktyny, jak i ich depolimeryzacja są procesami silnie regulowanymi przez szereg specyficznych białek, które są odpowiedzialne za przebudowę włókien.

Przykładami białek regulujących depolimeryzację jest czynnik depolimeryzacji aktyny kofilina. Inne białko, profilina, pełni odwrotną funkcję, ponieważ stymuluje asocjację monomerów (stymulując wymianę ADP na ATP).

cechy

Mikrofilamenty oddziałują z filamentami miozyny, które są związane z białkami transbłonowymi, które mają domenę w cytozolu, a drugą na zewnątrz komórki, uczestnicząc w ten sposób w procesach mobilności komórki.

Te mikrowłókna związane z błoną plazmatyczną pośredniczą w różnych odpowiedziach komórkowych na różne klasy bodźców. Na przykład adhezja komórek w tkankach nabłonkowych jest napędzana przez białka transbłonowe zwane kadherynami, które oddziałują z mikrowłókienkami w celu rekrutacji czynników odpowiedzi.

Filamenty aktynowe oddziałują z włóknami pośrednimi, powodując przekazywanie bodźców zewnątrzkomórkowych do kluczowych miejsc, takich jak rybosomy i chromosomy w jądrze.

Reprezentacja wewnątrzkomórkowej funkcji motorycznej mikrofilamentów aktyny (Źródło: Boumphreyfr za Wikimedia Commons)

Klasyczną i dobrze zbadaną funkcją mikrowłókien jest ich zdolność do tworzenia „mostów”, „szyn” lub „autostrad” dla ruchu białka motorycznego miozyny I, które jest zdolne do ładowania pęcherzyków transportowych z organelli do błony osocze w szlakach wydzielniczych.

Mikrofilamenty oddziałują również z miozyną II, tworząc kurczliwy pierścień, który tworzy się podczas cytokinezy, a dokładnie podczas ostatniego etapu podziału komórkowego, w którym cytozol jest oddzielany od komórek macierzystych i potomnych.

Ogólnie rzecz biorąc, mikrofilamenty F-aktyny modulują rozmieszczenie niektórych organelli, takich jak kompleks Golgiego, retikulum endoplazmatyczne i mitochondria. Ponadto biorą udział w przestrzennym pozycjonowaniu mRNA, dzięki czemu są odczytywane przez rybosomy.

Cały zestaw komórkowych mikrowłókien, zwłaszcza tych, które są blisko spokrewnione z błoną plazmatyczną, bierze udział w tworzeniu falujących błon komórek, które mają stały aktywny ruch.

Są również zaangażowani w tworzenie mikrokosmków i innych typowych guzków na powierzchni wielu komórek.

Przykład funkcji w wątrobie

Mikrowłókna biorą udział w procesie wydzielania żółci w hepatocytach (komórkach wątroby), a także w ruchach perystaltycznych (skoordynowany skurcz) kanałów wątrobowych.

Przyczyniają się do różnicowania domen błony komórkowej dzięki ich powiązaniu z różnymi elementami cytozolowymi oraz kontroli, jaką wywierają nad topografią tych elementów wewnątrzkomórkowych.

Powiązane patologie

Niewiele jest chorób związanych z pierwotnymi defektami w strukturze lub z białkami regulatorowymi i enzymami w syntezie mikrofilamentów, mimo że są one bezpośrednio zaangażowane w wiele funkcji.

Niski wskaźnik chorób i wad rozwojowych w pierwotnej strukturze mikrowłókien wynika z faktu, że na ogół istnieje wiele genów kodujących zarówno aktynę, jak i jej białka regulatorowe, zjawisko znane jako „nadmiarowość genetyczna”.

Jedną z najczęściej badanych patologii jest witryfikacja oocytów na ich cytoszkieletu, gdzie obserwuje się przerwanie sieci mikrowłókien korowych, a także depolimeryzację i dezorganizację mikrotubul wrzeciona mitotycznego.

Ogólnie rzecz biorąc, zeszklenie to powoduje dyspersję chromosomów, ponieważ prowadzi do zaburzenia zagęszczenia całej chromatyny.

Komórki, które mają większą organizację i udział mikrofilamentów w swoim cytoszkieletu, to komórki mięśnia prążkowanego, dlatego większość patologii wiąże się z nieprawidłowym działaniem aparatu kurczliwego.

Wadliwe lub nietypowe mikrofilamenty są również związane z chorobą kości znaną jako choroba Pageta.

Bibliografia

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., & Vicente-Manzanares, M. (2017). Skoordynowana z mikrowłóknami dynamika adhezji napędza migrację pojedynczych komórek i kształtuje całe tkanki. F1000Research, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Białka wiążące aktynę: regulacja mikrowłókien cytoszkieletowych. Physiological Reviews, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M. i Kanso, E. (2018). Bistabilność w synchronizacji pobudzonych mikrowłókien. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R. i Vacanti, JP (red.). (2011). Zasady inżynierii tkankowej. Prasa akademicka.
5. Robbins, J. (2017). Choroby cytoszkieletu: desminopatie. W miopatiach sercowo-szkieletowych u dzieci i młodych dorosłych (str. 173-192). Academic Press.