98856

Микрофиламенты: строение, ультраструктура, функции

Реферат

Биология и генетика

Микрофиламенты (МФ) встречаются во всех клетках эукариот. Особенно они обильны в высокоспециализированных мышечных волокнах и клетках, выполняющих функции сокращения мышц. МФ входят также в состав специальных клеточных компонентов

Русский

2016-07-13

430.5 KB

0 чел.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Международный государственный экологический университет имени А. Д. Сахарова

Факультет экологической медицины

Микрофиламенты: строение, ультраструктура, функции

Выполнил

студент 4 курса

гр. №92061-1

Широчин И. А.

Минск, 2012

Содержание

Введение…………………………………………………………………….. 3

Глава 1. Общее определение и функции МФ……………………………. 4

  1.  Определение МФ………………………………………………………4                                                                   
    1.  Функции МФ…………………………………………………………...4                                                                                      
      1.  Сокращение…………………………………………………...4
      2.  Образование контактных структур…………………………5
      3.  Образование отростков………………………………………5
      4.  Структурирование поверхности…………………………….5
      5.  Движение органелл…………………………………………...5

Глава 2. Белки МФ…………………………………………………………7

2.1 Глобулярный актин……………………………………………………7

2.2 Фибриллярный актин………………………………………………….8

2.3 Тропонин……………………………………………………………….9

2.4 Тропомиозины………………………………………………………..10

Глава 3. Ультраструктура МФ…………………………………………..12

Глава 4. Самосборка МФ………………………………………………...13

Заключение………………………………………………………………..14

Список литературы……………………………………………………….15

Введение

Микрофиламенты (МФ) встречаются во всех клетках эукариот. Особенно они обильны в высокоспециализированных мышечных волокнах и клетках, выполняющих функции сокращения мышц. МФ (рис. 1) входят также в состав специальных клеточных компонентов, таких как микроворсинки, ленточные соединения эпителиальных клеток, в состав стереоцилий чувствительных клеток. МФ образуют пучки в цитоплазме подвижных клеток животных и слой под плазматической мембраной – кортикальный слой. У многих растительных клеток и клеток низших грибов они располагаются в слоях движущейся цитоплазмы.

Рисунок 1. Электронная микрофотография пучков микрофиламентов в клетке.

Глава 1. Общее определение и функции МФ

1.1 Определение МФ

МФ – тонкие белковые нити диаметром 5-8 нм, встречающиеся практически во всех типах клеток. Они могут располагаться в цитоплазме пучками, сетевидными слоями или поодиночке. Основным белком МФ является актин. В клетке актин существует в двух формах: мономерной (глобулярный актин, G-актин) и полимеризованной (фибриллярный актин, F-актин). Фибриллы F-актина диаметром 8 нм представляют собой спиральную ленту. При достаточной концентрации G-актин начинает самопроизвольно полимеризоваться. Если концентрация G-актина будет недостаточной, то образовавшиеся фибриллы F-актина начинают разбираться. Из этого следует, что актиновые МФ представляют собой очень динамичные структуры, которые могут возникать и расти или же, наоборот, разбираться и исчезать в зависимости от наличия глобулярного актина. Кроме актина, в состав микрофиламентов могут входить миозин, тропомиозин, а также несколько десятков актинсвязывающих белков (рис. 2).

Рисунок 2. Строение МФ.

1.2 Функции МФ

Функции МФ в клетках очень разнообразны. Как правило, МФ с помощью ассоциированных белков образуют в клетках различные типы суперструктур, таких как пучки параллельных филаментов, трехмерные и двумерные сети, выполняющие разные функции. Ниже описаны примеры специализированных актиновых структур и выполняемые ими функции.

1.2.1 Сокращение

Сокращение - основная функция актинового цитоскелета (микрофиламентов), то есть  актина и ассоциированных с ним белков. Основным партнером актина при сокращении является  миозин. Актомиозиновое сокращение может осуществляться как высокоспециализированными мышечными клетками, так и большинством неспециализированных в отношении сокращения клеток.

1.2.2 Образование контактных структур

Большое семейство  клеточных контактов, стабильно ассоциированных с МФ, носит название  адгезионных контактов.  Адгезионные контакты являются центрами мембран-цитоскелетного взаимодействия и участками прикрепления клеток к субстрату или друг к другу. Эти контакты четко отличаются по структуре от других типов контактных структур -  плотных контактов,  щелевидных контактов,  десмосом. Имеется две больших группы адгезионных контактов:  контакты с внеклеточным матриксом и  межклеточные контакты.

1.2.3 Образование отростков

Одной из существенных функций актинового цитоскелета является образование разнообразных выпячиваний клеточной поверхности. Среди них есть как узкоспециализированные структуры, такие как акросомальные отростки, микроворсинки, так и широко распространенные у разных типов клеток локомоторные органеллы - псевдоподии.

1.2.4 Структурирование поверхности

Актиновый цитоскелет лежит в основе поддержания и изменения формы клеток. В осуществлении этой функции участвует несколько типов реакций:  полимеризация и  деполимеризация актина, взаимодействие  F-актина с механохимическим белком миозином, связывание актиновых филаментов друг с другом посредством сшивающих белков, ассоциация актина с мембраной тем или иным способом.

1.2.5 Движение органелл

Существуют системы, в которых движение органелл происходит по  МФ. Например, мембранные органеллы в клетках растений  и простейших, а также пигментные гранулы в яйцеклетках иглокожих  движутся по актиновым филаментам. Движение органелл по актиновым филаментам происходит и в аксоне гигантского кальмара. Это актин-зависимое движение существует наряду с более известным движением органелл по  микротрубочкам в процессе быстрого транспорта в аксоне.

Движение органелл по актиновым филаментам опосредуется  миозинами. Этот процесс смоделирован in vitro. Если покрыть тем или иным миозином инертные шарики, например, латексные, то в присутствии АТФ они могут перемещаться по покрытому F-актином стеклу. Возможна и обратная модельная система - движение актиновых филаментов по покрытому миозином субстрату.

Скорость движения миозина вдоль актинового филамента различается в зависимости от типа миозина. С наибольшей скоростью движется двуголовый  миозин II . Скорость движения  миозина I на порядок меньше. Миграция пигментных гранул в яйцеклетках иглокожих, судя по скорости, осуществляется именно миозином I. Скорость актин-зависимого движения органелл в аксоплазме кальмара имеет среднее значение и, вероятно, опосредуется новым типом миозина.

Глава 2. Белки микрофиламентов

2.1 Глобулярный актин (G-актин)

Глобулярный актин - это белок с молекулярной массой 42 кДа, состоящий из одной полипептидной цепи. Аминокислотная последовательность актина  скелетных и  сердечных мышц включает 375 аминокислотных остатков, в том числе один остаток необычной аминокислоты - 3-метилгистидина, который образуется посттрансляционно. N-концевая аминокислота ацетилирована. Молекула актина содержит 5 остатков цистеина (Cys-10, -217, - 257, -285 и -374). Актин  гладкой мускулатуры содержит еще один остаток цистеина в положении 17.  Немышечные актины содержат два дополнительных цистеиновых остатка - Cys-17 и Cys-272. Однако Cys-10 в этих актинах заменен на Val-10, и общее количество цистеиновых остатков равно 6. Только один из этих остатков, Cys- 374, экспонируется на поверхности молекулы интактного G-актина, содержащего АТР. Доступность других остатков цистеина определяется степенью нативности молекулы и видом нуклеотида. В растворе с высокой концентрацией АДР кроме Cys-374 доступным для SH-реагентов становится еще один остаток цистеина, по-видимому, Cys-10.

При анализе аминокислотной последовательности актина обращает на себя внимание большое количество отрицательно заряженных групп, особенно на N-конце цепи. Так, из пяти N- концевых аминокислотных остатков четыре содержат в боковых цепях карбоксильные группы, а среди первых 25 аминокислотных остатков отрицательно заряжены 7.

Полипептидная цепь  актина гладкой мускулатуры и немышечных сократительных систем содержит 374 аминокислотных остатка. Различия в аминокислотных последовательностях невелики и в основном консервативны.  Цитоплазматические актины отличаются от  актина скелетных мышц позвоночных только 25 заменами. При этом существенно, что участок полипептидной цепи, включающий остатки 18 - 75, стабилен, в то время как участки 2 - 18 и 259 - 298 содержат много замен. Высокая консервативность первичной структуры актина, по-видимому, является следствием его высокой функциональной активности, требующей сохранения центров взаимодействия как с другими молекулами актина, так и с  актинсвязывающими белками. Замены аминокислотных остатков в N-концевом сегменте полипептидной цепи существенно влияют на общий заряд молекулы, изменяя изоточку актина в интервале рН 5,4 - 5,5. Существует по крайней мере 6 изоформ актина, основные из них: альфа-, бета- и гамма-изоактины. N-концевой сегмент альфа-актина содержит четыре кислых аминокислотных остатка - Asp-Glu-Asp-Glu, в N-концевом сегменте бета- и гамма-изоактинов их только три Asp-Asp-Asp и Glu-Glu-Glu в бета- и гамма-изоактине соответственно.

Данные о первичной структуре  актина высших растений, полученные на основании анализа нуклеотидных последовательностей актиновых генов, указывают на то, что вариабельность актина растений значительно выше, чем вариабельность актина животных. В частности, изоактины сои содержат 35 - 45 замен. В целом, актины растений отличабтся от актинов животных 55 - 65 аминокислотными остатками. В актинах растений замены затрагивают значительное число заряженных остатков, поэтому их изоточки могут различаться почти на единицу (рН 5,1 - 5,8).

2.2 Фибриллярный актин (F-актин)

F-актин - длинный спиральный полимер, состоящий из нескольких сотен субъединиц. Диаметр нитей равен, по данным разных авторов, 50 - 80 или 80 - 100 ангстрем. В отличие от актина образованного in vivo длина нитей актина, заполимеризованного in vitro, колеблется от 0,2 до 10 - 15 мкм, причем распределение по длинам экспоненциально. При взаимодействии с  тяжелым меромиозином или его субфрагментом 1 F-актин образует характерные стреловидные структуры, свидетельствующие о полярности нитей.

Согласно модели актиновой нити, построенной путем совмещения атомной структуры мономера с рентгенограммой ориентированных в капилляре полимеров, F-актин представляет собой двухстартовую (двухтяжевую) правую спираль, шаг которой равен 72 нм. Тяжи взаимодействуют между собой, образуя левую спираль с шагом 5,9 нм.  Большой домен находится ближе к центру нити, а  малый домен - на ее периферии. Максимальный диаметр модельной нити равен 90 - 95 ангстрем.

Основное взаимодействие между мономерами актина вдоль двухстартовой спирали осуществляется за счет контакта между  субдоменом 4 одного мономера и  субдоменом 3 лежащего выше мономера: остатки 243 - 245 и 202 - 204 контактируют с остатками 322 - 325 и 286 - 289 соответственно. Кроме того, гидрофобная петля, состоящая из остатков 41 - 50, контактирует с большим доменом лежащего выше мономера (остатки 166 - 169) и с Phe-375. Наиболее удаленным от оси нити (25 ангстрем) является контакт петли 41 - 45 с остатками 166 - 169. В середине нить упакована неплотно. Контакты вдоль левой генетической спирали образуются остатками 195 - 197 субдомена 4 и остатками 110 - 112  субдомена 1 . Кроме того, петля одного тяжа (266 - 269), по-видимому, внедряется в гидрофобный карман, образованный остатками 166, 169, 171, 285, 289, 63 - 64 и 40 - 45 другого тяжа. Предполагается, что мономеры удерживаются в полимере благодаря образованию гидрофобного ядра между соседними субъединицами вдоль двухстартовой спирали, в которое вклинивается "шпилька", состоящая из остатков 269 - 272, принадлежащих мономерам другого тяжа. Взаимодействие включает 3 субъединицы. Если "шпильку" вынуть, оставшиеся вдоль оси нити связи, по-видимому, окажутся недостаточными для поддержания спирали.

Кроме того, взаимодействие между мономерами может поддерживаться солевыми мостиками. Arg-39 расположен между Asp- 286 и Glu-270 двух других субъединиц. Arg-205 одной молекулы находится между Asp-244 и Glu-205 соседней субъединицы, Arg-62 - около Asp-288 соседа. Существуют, вероятно, и водородные связи.

Структура нити может, по-видимому, изменяться при гидролизе АТР, замещении прочно связанного  Са++ на  Mg++ и при взаимодействии с другими белками. Эти изменения связаны, в первую очередь, с торзионным движением  малого домена.

Известно, что способность актина к полимеризации ингибируется при  ADP-рибозилировании актина, связанном с Arg- 177, модификациях His-40, Lys-61 и Tyr-53, при замене Gly-245 на Asp, а также при протеолитическом расщеплении связи Gly-42-Val- 43 или Met-47-Gly-48. Все эти аминокислотные остатки находятся в области контактов между мономерами, предсказанных моделью.

При  полимеризации актина прочно связанный нуклеотид гидролизуется, и F-актин содержит АДР. И нуклеотид, и катион в F-актине со средой практически не обмениваются, поэтому активация F-актина происходит медленно. В отличие от  G-актина F- актин устойчив к протеолизу и не ингибирует активность ДНКазы I. Кроме того, F-актин взаимодействует с  фаллоидином . Это взаимодействие стабилизирует нить, приводя к необратимости полимеризации.

2.3 Тропонин

Тропонин - комплекс из трех полипептидов:  тропонина T ,  тропонина I и  тропонина C (кальций - связывающий). Тропонины C и I образуют глобулярную головку, а T длинный хвост. Тропонин I присоединяется к  актину при образовании комплекса с трпонином T и трпомиозином. Образование комплекса препятствует образованию комплекса актина с миозином даже в присутствии  кальция. Если к этому комплексу добавить тропонин C построение актин-тропонинового комплекса завершится и  актин-миозиновые взаимодействия становятся чувствительными к ионам  кальция.

В начале 60-х годов было высказано предположение о том, что сокращение  поперечно-полосатых скелетных мышц регулируется специальным белковым комплексом, расположенным на актиновом филаменте и получившим название  нативного тропомиозина. Было установлено, что нативный тропомиозин состоит из двух частей: из  тропомиозина и тропонина.

Было установлено, что тропонин состоит из трех компонентов, каждый из которых выполняет специфические функции.  Тропонин С обеспечивает связывание Са2+,  тропонин I ингибирует АТРазную активность актомиозина и  тропонин Т обеспечивает прикрепление тропонина к тропомиозину. В последние годы с развитием техники получения мутантных белков и совершенствованием сложных физических методов получены новые данные о структуре тропонина и сформулированы уточненные представления о том, как этот комплекс функционирует в мышце. Помимо сугубо теоретических исследования тропонина стали приобретать все более практический характер. Например, разрабатываются новые фармакологические препараты, увеличивающие сродство тропонина С к ионам Са2+ и таким образом усиливающие сократительную активность миокарда.

2.4 Тропомиозины

Тропомиозины относятся к белкам, стабилизирующим актиновые филаменты. Это близкородственная группа белков, присутствующая в сократительном аппарате всех клеток. Она получила свое название благодаря тропомиозину мышц - первому известному члену этой группы. Тропомиозин мышц состоит из двух субъединиц по 33 кД (284 аминокислоты). Димер представляет собой палочковидную структуру, длиной около 40 нм. Тропомиозин взаимодействует с латеральной частью актинового филамента. При этом молекулы тропомиозина соединяются друг с другом конец в конец, образуя две сплошные продольные нити в бороздках актинового филамента. Имеется множество изоформ тропомиозина, экспрессирующихся тканеспецифическим образом. Они различаются по молекулярному весу (от 30 до 40 кД) и изоэлектрической точке.

Все множество изоформ в высших эукариотах образуется из по крайней мере 4  генов, каждый из которых кодирует несколько изоформ посредством  альтернативных промоторов или  альтернативного сплайсинга. Связывание тропомиозина с актиновыми филаментами стабилизирует их, предотвращая их спонтанную фрагментацию, но не разрезание  гельзолином. Тропомиозин участвует во взаимодействии  актина со  спектрином, обеспечивающее формирование двумерной сети  примембранного цитоскелета, как и другие белки, обладающие спектринсвязывающей активностью: аддуцин, тропомодулин,  дематин.

Глава 4. Ультраструктура МФ

В клетках фибриллярная система МФ стабилизируется массой специфических белков, ассоциирующихся с F-актином. Так, белок тропомиозин, взаимодействуя с МФ, придает им необходимую жесткость. Целый ряд белков, например филамин и актинин, образует поперечные скрепки между нитями F-актина, что приводит к образованию сложной трехмерной сети, придающей гелеобразное состояние цитоплазме.

Рисунок 3. Ультраструктура МФ

Другие белки могут связывать филаменты в пучки (фимбрии) и т.д. Кроме того, существуют белки, взаимодействующие с концами микрофиламентов, предотвращая их разборку, и тем самым стабилизируя. Взаимодействие F-актина со всей этой группой белков регулирует агрегатное состояние МФ, их рыхлое или, наоборот, тесное расположение, связь их с другими компонентами.

Глава 4. Самосборка микрофиламентов

При сборке МФ мономерный G-актин (содержащий в своем составе молекулу АТФ), находящийся в цитоплазме, полимеризуется, образуя тонкую фибриллу (F-актин) толщиной 8 нм, представляющую собой пологую спиральную ленту. Здесь следует отметить, что актиновые МФ полярны по своим свойствам. При достаточной концентрации G-актин начинает самопроизвольно полимеризоваться. При такой спонтанной полимеризации актина на образовавшейся нити МФ один из ее концов быстро связывается с G-актином (плюс-конец МФ) и поэтому растет быстрее, чем противоположный (минус-конец).

Рисунок 4. Полимеризация актина

Если концентрация G-актина будет недостаточной, то образовавшиеся фибриллы F-актина начинают деполимеризоваться. В растворах, содержащих так называемую критическую концентрацию G-актина, будет устанавливаться динамическое равновесие между полимеризацией и деполимеризацией, в результате чего фибрилла F-актина будет иметь постоянную длину. Из этого следует, что актиновые МФ представляют собой очень динамичные структуры, которые могут возникать и расти или же, наоборот, разбираться и исчезать в зависимости от наличия глобулярного актина. На растущем конце нити актина встраиваются мономеры, содержащие АТФ. По мере нарастания полимера происходит гидролиз АТФ, и мономеры остаются связанными с АДФ. Молекулы актина, соединенные с АТФ, прочнее взаимодействуют друг с другом, чем мономеры, связанные с АДФ.

Заключение

МФ наряду с другими компонентами цитоскелета участвуют во всех динамических процессах, протекающих в клетке: перемещение органелл и вакуолей в цитоплазме, поддержание и изменение формы клетки, и т.д. Также МФ делают возможными адгезионные межклеточные контакты, движение клеток в пространстве (за счет образования отростков, например, псевдоподий). Кроме того, в составе актино-миозиновых комплексов МФ обеспечивают процесс мышечного сокращения. Есть также теория, согласно которой цитоскелет участвует в передаче внутриклеточных сигналов. Из этого следует, что изучение цитоскелета и МФ в частности открывает перед учеными большие перспективы углубленного понимания всех клеточных процессов, что в дальнейшем может способствовать предотвращению многих заболеваний ещё на клеточном уровне.

Список литературы

  1.  Введение в клеточную биологии. Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. / Ю.С. Ченцов. – М.: ИКЦ «Академкнига», - 2004. – 495 с.
  2.  Фалер Д.М., Шилдс Д. – Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. Пер. с англ. – М.: Издательство БИНОМ, 2006. – 256 с.
  3.  Веспер М.В., Бочкарёва М.А., Хохлова Л.П. Цитоскелет и водный обмен растений //Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2008. – Т. 150, кн. 2. – С. 22–42.
  4.  Степанов В. М. Молекулярная биология. Структура и функции белков: Учеб. для биол. спец. вузов/Под ред. А. С. Спирина.  
  5.  Фултон А. Цитоскелет: архитектура и хореография клетки: Пер. с англ. – М. Мир, 1987. – 120с


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8427. Стандартная библиотека шаблонов 146.5 KB
  Стандартная библиотека шаблонов 1. Цель работы Освоить технологию обобщенного программирования с использованием библиотеки стандартных шаблонов (STL) языка C++. 2. Темы для предварительной проработки Классы. Наследование. 3. Задание для ...
8428. Основные нормируемые показатели ВЗГ 252.5 KB
  Основные нормируемые показатели ВЗГ 1 Цель работы Изучение нормируемых параметров вторичных устройств синхронизации - ВЗГ (англ. - SSU, Synch. SupplyUnit, укр. - ВПС, вторинний пристрій синхронізації) и схем их испытаний 2 Указа...
8429. Измерение параметров импульсных сигналов методом дискретного счёта 190 KB
  Измерение параметров импульсных сигналов методом дискретного счёта. Цель работы: - изучение метода дискретного счёта - изучение принципа действия цифрового частотомера - приобретение навыков работы с измерительной аппаратурой. Используемая аппарат...
8430. Измерение напряжений электронными вольтметрами 254.5 KB
  Измерение напряжений электронными вольтметрами ЦЕЛЬ РАБОТЫ: -изучить принципы построения аналоговых электронных вольтметров -приобрести навыки эксплуатации различных вольтметров -уяснить зависимость показаний вольтметров от формы кривойизмеряемого...
8431. Техническая эксплуатация автомобилей. Методические указания 4.66 MB
  Целью методических указаний является оказание помощи студентам при проведении лабораторных работ по дисциплине Техническая эксплуатация автомобилей. Излагаются основные теоретические сведения, порядок выполнения и требования к оформлению отчетов по ...
8432. Визначення питомого опору провідника 440.5 KB
  Визначення питомого опору провідника Мета роботи: вивчення одного з методів визначення питомого опору визначення похибки електровимірювань. Теоретичнівідомості Опір...
8433. Основы работы с MATLAB. Изучение простейших операций и приемов работы в среде пакета Matlab 263 KB
  Основы работы с MATLAB. Изучение простейших операций и приемов работы в среде пакета Matlab. Цель работы: Ознакомление с простейшими операциями и приемами работы в среде пакета MATLAB. Организация самостоятельной работы При подготовке к...
8434. Стандартный файловый ввод-вывод 114.5 KB
  Стандартный файловый ввод-вывод 1. Цель работы. Целью лабораторной работы является получение практических навыков в работе с файловыми функциями форматного ввода-вывода. 2. Темы для предварительной проработки Функции форматного файлового вв...
8435. Параметризовані класи (шаблони) 69.5 KB
  Параметризовані класи (шаблони). Мета работи Ознайомитись з принципами створення шаблонів. Теми для попереднього вивчення Введення у класи Структура класу и функції. Варіанти індивідуальних завдань...