***Cytoskelet eukaryot a molekulární motory


MIKROTUBULY (MT)

  • mikrotubulová vlákna průměr asi 25 nm
  • základní stavební jednotkou dimer tubulinů alfa- a beta-
  • oba mají ve své struktuře vazebné místo pro GTP (guanosintrifosfát) - vliv na dynamiku struktury, viz dále
  • alfa- a beta-tubuliny se skládají nad sebe a tvoří jednoduché tenké vlákno = protofilament
  • celý mikrotubulus složen ze 13 protofilament složených paralelně vedle sebe do válcového pláště - v tomto plášti spolu ještě interagují stejné tubuliny z boku (viz obrázek vpravo, po kliknutí se zvětší a objeví se popisek)
  • pravidelné uspořádání tubulinů dává vzniknout polarizovanému vláknu
    • k přidávání/odebírání podjednotek (= 1 alfa- + 1 beta-tubulin = tubulinový dimer) dochází jen na koncích vlákna, tyto konce se ale liší schopností růstu
    • plus konec končí beta-tubulinem a prodlužuje se
      • dochází k připojování podjednotek s GTP a ty tvoří tzv. GTP čepičku
      • čepička brání zakřivení vláken - dimery s GDP (vzniká hydrolýzou GTP) mají totiž tendenci se ohýbat, což vede k destrukci vlákna
      • dynamická nestabilita, rychlý obrat podjednotek a přizpůsobivost různým podmínkám
    • mínus konec končí alfa-tubulinem, neroste a většinou je někde ukotven
      • ukotvení v tzv. organizačních centrech mikrotubulů (MTOC): u živočichů centrozóm se dvěma centriolami, u hub a rozsivek pólové tělísko vřeténka (angl. spindle pole body), u rostlin více menších center na buněčném okraji
  • chování mikrotubulového skeletu regulováno mnoha přídatnými proteiny - tzv. MAP (proteiny asociovavé s mikrotubuly): vazba na volné podjednotky nebo kompletní mikrotubuly, jejich (de)stabilizace, uspořádávání, vazba mikrotubulů k buněčnému okraji apod.

MIKROFILAMENTA (MF)

  • aktinová vlákna (mikrofilamenta) nejtenčí, průměr cca 5–9 nm
  • základní stavební jednotkou malý protein aktin, jehož každá molekula obsahuje vazebné místo pro ATP (adenosintrifosfát)
  • ohebnější než mikrotubuly, kratší, ale je jich v buňce víc
  • polymerace jednotek dává vzniknout polarizovanému protofilamentu (podobně jako u mikrotubulů: plus konec rostoucí, mínus konec nerostoucí, dynamická struktura)
  • aktin se často nachází u plazmatické membrány jako buněčný kortex zodpovědný za určení tvaru a pohybu povrchu buňky
  • vlákna bývají spojena do komplexnějších struktur: (1) paralelní svazky nebo (2) prostorová síť (stavby se účastní další proteiny)
  • aktinový skelet důležitý i pro spojení buněk mezi sebou v rámci tkáně či pro jejich asociaci s mezibuněčnou hmotou prostřednictvím různých buněčných spojů
  • proteiny regulující dynamiku mikrofilament: navazují se k volným podjednotkám, vážou se podél vytvořených vláken a stabilizují je, interagují s konci mikrofilament (tzv. capping [čepičkovací] proteiny), rozlamují aktinová vlákna (katastrofiny) apod.

INTERMEDIÁLNÍ FILAMENTA (IF)

  • též tzv. střední filamenta - průměr vláken cca 11 nm (tedy mezi oběma předešlými)
  • zatím prokázána jen u živočichů, ne u hub a rostlin; strukturně se liší od MT i MF
  • monomery jsou protáhlé, tyčovité molekuly (× kulovité tubuliny a aktin), velmi rychle dimerizují
  • molekula se skládá ze tří částí: 1 centrální, tyčovitá, alfa-helikální doména + 2 koncové kulovité domény („hlavička“ a „ocásek“)
    • centrální doména u všech velmi podobná, ale délka a struktura hlavičkové a ocasní části se mezi jednotlivými typy IF velmi liší
    • centrální doména odpovědná za dimerizaci molekul, přičemž obě hlavičky a oba ocásky jsou na stejné straně
    • hlavička a ocásek odpovědné za následnou polymeraci a tvorbu vyšších struktur a také za funkční interakci IF
  • pro skládání IF není třeba energie bezprostředně uvolněná z ATP nebo GTP
    • ze dvou molekul vzniká polarizovaný dimer (obtočí se centrální domény)
    • dva dimery se potom k sobě přikládají bočně, ale protisměrně = intermediální filamenta nejsou polarizována
    • tyto nepolarizované tetramery se potom skládají do vyšších struktur, až vznikne vlákno
  • k výměně podjednotek nedochází jen na koncích vlákna, ale v celém jeho průběhu
  • vlákna nejsou polarizována, není tedy znám žádný s nimi asociovaný molekulární motor (viz dále)
  • rodina intermediálních filament je velmi rozmanitá, v genomu člověka je pro ně asi 65 genů - v různých buněčných typech jsou produkovány různé typy IF (dá se toho využít třeba i při analýze rakovinných buněk: střední filamenta prozradí, z jakého buněčného typu nádorově transformovaná buňka pochází)
  • v buňce jsou lokalizována kolem jádra, odkud se rozprostírají k okrajům, a pod jadernou membránou (laminy)
    • jaderné laminy se podílí na mechanické výztuži jádra (interagují také s chromatinem a mají nejspíš vliv i na regulaci různých jaderných procesů)
    • na začátku mitózy jsou laminy nafosforylovány MPF (Mitosis Promoting Factor), což způsobí rozpad sítě a v důsledku toho i rozpad jaderného obalu
  • zpolymerovaná filamenta zpravidla velmi stabilní a odolná chemicky i při mechanickém namáhání (v porovnání s MT a MF)
  • stejně jako MF se podílí na vzájemném propojení buněk v tkáni a jejich spojení s mezibuněčnou hmotou

MOLEKULÁRNÍ MOTORY

  • MOLEKULÁRNÍ MOTORY. Citováno z Alberts, Bray, Lewis, Raff, Roberts, and Watson (2002): Molecular Biology of the Cell. (4th ed.)

    Perhaps the most fascinating proteins that associate with the cytoskeleton are the molecular motors called motor proteins. These remarkable proteins bind to a polarized cytoskeletal filament and use the energy derived from repeated cycles of ATP hydrolysis to move steadily along it. Dozens of different motor proteins coexist in every eucaryotic cell. They differ in the type of filament they bind to (either actin or microtubules), the direction in which they move along the filament, and the “cargo” they carry. Many motor proteins carry membrane-enclosed organelles —such as mitochondria, Golgi stacks, or secretory vesicles— to their appropriate locations in the cell. Other motor proteins cause cytoskeletal filaments to slide against each other, generating the force that drives such phenomena as muscle contraction, ciliary beating, and cell division.
    proteiny schopné štěpit molekuly ATP a energii získanou z této reakce využít k pohybu podél polarizovaných cytoskeletálních vláken (jinak řečeno: dokáží na sebe „naložit“ různý náklad a ten přemisťovat po „silnicích“ na různá místa v buňce)
  • různé typy molekulárních motorů se mezi sebou liší:
    • typem cytoskeletu, po kterém se pohybují (mikrotubuly, mikrofilamenta)
    • směrem, kterým se po vláknech pohybují (k plus/mínus konci)
    • typem nákladu, který jsou schopny nést/vázat: organely (mitochondrie, endoplasmatické retikulum, Golgiho komplex) nebo různé váčky
      • jiné motory zase posunují cytoskeletální filamenta podél sebe a generují tak sílu, jež působí např. stah svalů, pohyb řasinek a bičíků, pohyb chromosomů při meióze a mitóze nebo oddělení dvou buněk při cytokinezi)
  • struktura molekulárních motorů:
    • kulovitá „hlavička“ (většinou jich je více) = motorová doména, váže a štěpí ATP, také se váže k cytoskeletálnímu vláknu, po němž kráčí
    • „ocásek“ s různou strukturou odpovídající za případnou dimerizaci motorové molekuly a interakci s nákladem
  • tři velké skupiny proteinů fungující jako molekulární motory
    • MYOZINY: pohyb po aktinových vláknech k plus konci (až na jednu výjimku)
      • myozin II vůbec prvním objeveným molekulárním motorem
      • člověk má >40 genů pro myoziny
      • myozin II zodpovědný za svalový stah, podílí se i na buněném dělení - funguje jako dimer
      • myozin I organizuje membránové výčnělky na povrchu buněk bohaté na aktin (mikroklky, filopodie, lamelipodie) - funguje jako monomer
      • myozin V se účastní transportu organel a membránových váčků po buňce
    • KINEZINY: pohyb po mikrotubulech k plus konci (až na jednu výjimku)
      • asi společný původ s myoziny, s dyneiny jsou si spíše nepodobné
      • objeveny v neuronech - transportují v axonech váčky směrem k synapsi
      • fungují jako monomery, homo- i heterodimery
      • transport organel a váčků, úloha při jaderném a buněčném dělení
    • DYNEINY: pohyb po mikrotubulech k mínus konci (zatím bez výjimky)
      • výrazně větší než myoziny a kineziny, nejrychlejší z molekulových motorů
      • ke své funkci ale potřebují mnoho dalších proteinů
      • plazmatické dyneiny: asi ve všech eukaryotických buňkách, dvouhlavé, transport membránových váčků, umístění Golgiho komplexu ve středu buňky
      • ciliární (axonemální) dyneiny: heterodimery nebo heterotrimery specializované pro rychlý a účinný klouzavý pohyb mikrotubulů, který řídí pohyb řasinek a bičíků

JAK FUNGUJÍ MOTOROVÉ MOLEKULY

JAK FUNGUJÍ MOTOROVÉ MOLEKULY

Poutavé vyprávění o tom, jak fungují motorové molekuly na příkladu interakce aktin-myozin ve svalové sarkomeře.
  • Motorová molekula myozinu zajišťuje svou interakcí s aktinem svalový stah. Mechanismus reakce je spjatý s hydrolýzou ATP a souvisejícími konformačními změnami. (Při výkladu sledujte přiložený obrázek, který celý děj přehledně schematizuje.)
  • V počátečním stavu nemá myozin navázané ATP a jeho hlava je pevně vázána na aktinové vlákno. Tento stav se označuje jako rigor. Název pochází z latinského rigor mortis (posmrtná ztuhlost), kdy se po smrti vyčerpají zásoby ATP, které se pak neváže na myozin a sval ztuhne (myozin zůstane „zakousnutý“ do aktinu).
  • V aktivně stahovaném svalu se však na myozin rychle váže ATP, což působí konformační změnu, které vede k odpojení myozinu od aktinu. Díky tomuto odpojení může posléze dojít k posunu vláken.
  • ATP je záhy hydrolyzováno na ADP a fostát. Dochází k další konformační změně. Myozin (se stále navázaným ADP + Pi) se jakoby „vyklání dopředu“ (asi o 5 nm).
  • Po posunu hlavy se myozin slabě váže na novou podjednotku aktinu. Tato slabá vazba způsobí uvolnění fosfátu. Následuje silnější vazba myozinu na aktin a uvolnění ADP. V této fázi tedy dochází k samotnému „svalovému záběru“.
  • Myozin bez ATP je opět silně vázán na aktin a celý cyklus se uzavírá.

CYTOSKELET PLNÍ V BUŇCE RŮZNÉ ÚLOHY

CYTOSKELET V BUŇCE PLNÍ RŮZNÉ ÚLOHY

  • Plazivý pohyb buněk a vysílání různých panožek (výběžků plazmatické membrány) je umožněno směrovanou polymerizací aktinových vláken.
  • Svalová kontrakce je závislá na posunování myozinu II a aktinových filament (mechanismus viz výše).
  • Pohyb řasinek a bičíků je způsoben souhrou mikrotubulů a dyneinů a dalších pomocných proteinů, které jsou uspořádány do axonem.
  • Vnitrobuněčný transport organel a váčků. Mikrotubulární cytoskelet sespolu s motorovými molekulami podílí na „vytahávání“ endoplasmatického retikula (jinak by se scvrklo do kuličky), ale i na směrování vezikulárního transportu (důležité např. v axonech, kde směrují transport synaptických váčků).
  • Aktinový cytoskelet se účastní vzniku neurální trubice (více zde).
  • Cytoskelet má také nezastupitelnou úlohu při dělení jaderném (pohyb chromosomů) i buněčném (oddělení buněk kontraktilním prstencem).
Comments