Cytoskelet eukaryot

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)

    • 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

FUNKCE CYTOSKELETU

    • 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 níže).

    • 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 se spolu 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).

MOLEKULÁRNÍ MOTORY

    • proteiny schopné štěpit molekuly ATP a energii získanou z této reakce využít k pohybu podél polarizovaných cytoskeletálních vláken

    • = 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


1) MYOZINY: pohyb po aktinových vláknech k plus konci (až na jednu výjimku)

    • člověk má >40 genů pro myoziny

    • myozin II vůbec prvním objeveným molekulárním motorem, je 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


2) 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


3) 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

    • Příklad: 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.

    • 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.