Biologia komórki 06: cytoszkielet Część II: Tubulin

oto notatki z wykładu 6 kursu biologii komórki Harvard Extension.

w zeszłym tygodniu omówiliśmy mikrofilamenty, które są wykonane z aktyny. W tym tygodniu: mikrotubule, wykonane z tubuliny. Dlaczego, pytasz, czy cytoszkielet potrzebuje dwóch oddzielnych systemów? Weźmy pod uwagę, że mikrofilamenty to tylko łańcuchy poszczególnych podjednostek, podczas gdy mikrotubule to dosłownie rury (jak zobaczymy wkrótce) – wydrążone cylindry o ścianach wykonanych z łańcuchów wykonanych z dimerów. Te różne struktury oznaczają różne możliwości: mikrofilamenty mogą łatwiej tworzyć się spontanicznie i mogą się rozgałęziać (za pomocą Arp2 / 3 i innych kompleksów omówionych ostatnio) w celu utworzenia różnych kształtów sieci i połączenia różnych części komórki. Mikrotubule w większym stopniu polegają na zarodkowaniu w celu utworzenia i są zasadniczo siecią szprychową łączącą centrosom z peryferiami komórki. W praktyce mikrofilamenty są obfite w korze komórkowej i silnie zaangażowane w ruchy skurczowe i ruchliwość komórek, podczas gdy mikrotubule są najbardziej zaangażowane w organizowanie organelli i służą jako tory do transportu przedniego i wstecznego.

mikrotubule

(Image thanks to Wikimedia Commons user Jeffrey81)

oprócz Wikipedii, poprzednie edycje podręczników Biologii Komórki Lodisha i Coopera dostępnych na NCBI są również doskonałymi referencjami.

rurowa struktura mikrotubul jest mocniejsza niż mikrofilamenty, umożliwiając wiele ciężkich ciągnięć i pchania. Chociaż wytrzymałe, mikrotubule są zależne od temperatury-depolimeryzują się, jeśli są schłodzone do 4°C i ponownie ulegną polimeryzacji, jeśli zostaną podgrzane do 37°C, pod warunkiem, że dostępny jest GTP.

podstawowym budulcem mikrotubul jest dimer α-tubuiliny/β-tubuliny (kodowany odpowiednio przez geny TUBA_ i TUBB_). Poszczególne białka tubulinowe ważą ~55kDa, więc w ~110da / aminokwas, który jest rzędu 500 aminokwasów. Zarówno α -, jak i β-tubulina wiążą GTP, ale α praktycznie po prostu trzyma się go na zawsze, podczas gdy w β można go wymienić lub zhydrolizować do GDP, a następnie ponownie wymienić na nowy GTP.

nici kolejnych dimerów α / β tworzą protofilamenty, a 13 protofilamentów ułożonych obok siebie w cylinder tworzy mikrotubulę. Przestrzeń pomiędzy protofilamentami nazywana jest „szwem”. Cała mikrotubula ma średnicę ~25 nm. Widać jej strukturę (zbudowaną z dimerów i protofilamentów) w życiu wewnętrznym segmentu komórkowego o mikrotubulach:

w każdym dimerze podjednostka β jest końcem ( + ), preferowanym do polimeryzacji, a α jest końcem ( – ), preferowanym do depolimeryzacji. Mikrotubule tworzą w zasadzie te same trzy etapy co mikrofilamenty-zarodkowanie, wydłużenie i stan stacjonarny. Ale w przeciwieństwie do mikrofilamentów nie zarodkują łatwo samodzielnie, więc zarodkowanie wymaga ośrodków organizujących mikrotubule (MTOCs). Nierozdzielające się komórki mają tylko jeden MTOC, zwany centrosomem. (Jest to również przedstawione na powyższym filmie). Położony w pobliżu jądra, centrosom jest centrum do radialnej konfiguracji mikrotubul z końcami ( – ) skierowanymi w I ( + ) skierowanymi na obrzeża komórki.

centrosom składa się z 2 cylindrów zwanych centriolami. Każdy centriol składa się z 9 zestawów 3 poprzecznie skondensowanych mikrotubul, otoczonych amorficznym „materiałem perycentriolarnym” bogatym w rzeczy, które promują zarodkowanie-szczególnie kompleksy pierścieniowe γ-tubuliny (gamma tubulina jest kodowana przez geny TUBG_). γ-tubulina jest uważana za „podkładkę dzieloną”:

model polega na tym, że rozdwojone końce pozwalają γ-tubulinie wiązać się z α-tubuliną – tj. (-) końcem powstającej mikrotubuli-zapewniając zarodkowanie nasion dla mikrotubuli do utworzenia.

mikrotubule można tworzyć in vitro. Dynamika zależy głównie od stężeń krytycznych. Koniec ( – ) jest mniej skłonny do polimeryzacji niż koniec ( + ), więc ma wyższe stężenie krytyczne. Jeśli rzeczywiste stężenie znajduje się pomiędzy krytycznymi stężeniami obu końców, następuje Stopniowanie.

kiedy mikrotubula nagle zaczyna się dysocjować, nazywa się to „katastrofą”. Katastrofy mają ciekawą dynamikę energetyczną. Przypomnijmy wcześniej, że beta-tubulina, która jest (+) końcem, w którym następuje wydłużenie, może być związana z GTP lub PKB. Jest bardziej stabilną częścią mikrotubuli, gdy jest związana z GTP; tubulina związana z PKB jest zdolna do dysocjacji. Mikrotubule powstają głównie przez dodanie Beta-tubuliny związanej z GTP na końcu ( + ), ale po dodaniu cząsteczki beta-tubuliny później hydrolizują swoje GTP, pozostawiając je związane z PKB. Tak więc istnieje rodzaj „końcówki” mikrotubuli, która jest związana z GTP, podczas gdy beta-tubulina głębiej w mikrotubule, dodana dłużej, jest związana z PKB. Jeśli granica hydrolizy GTP dosięgnie końcówki lub jeśli coś stanie się przeciąć mikrotubulę, wtedy mniej stabilna, związana z PKB beta-tubulina zostanie odsłonięta, a protofilamenty zaczną się łuszczyć jak „rogi barana”. Jeśli tak się stanie, mikrotubula będzie się demontować, dopóki nie trafi na” wyspę ” Beta-tubuliny związanej z GTP gdzieś dalej w dół słomy. Katastrofę można „uratować” przez dodanie nowych dimerów tubuliny związanych z GTP, które zakryją końce i ustabilizują protofilamenty, umożliwiając ponowną formację mikrotubuli. Możesz zobaczyć w tym filmie, że depolimeryzacja mikrotubul może być znacznie szybsza niż polimeryzacja:

oto kilka związków przydatnych do badania mikrotubul. Kolchicyna, lek przeciw dnie moczanowej, wiąże wolne dimery alfa-beta, zmniejszając ich podaż do tworzenia mikrotubul, a tym samym promując depolimeryzację. Nocodazol zakłóca również tworzenie nowych mikrotubul, a ponieważ tworzenie nowych mikrotubul jest ważne dla mitozy, nocodazol jest lekiem przeciwnowotworowym. Odwrotnie, paklitaksel (taxol), inny lek przeciwnowotworowy, działa poprzez stabilizację mikrotubul, ponieważ rozpad istniejących mikrotubul jest również ważny dla mitozy.

białka związane z mikrotubulami (mapy) mają różne role. Na uwagę zasługują MAP4 (w komórkach nieneuronalnych), MAP2 (w neuronach) i Tau (w neuronach; kodowane przez gen MAPT). Wszystkie te mają wspólną cechę, że działają one w celu stabilizacji mikrotubul, przesuwając kinetykę na rzecz wzrostu mikrotubul i przed katastrofą. Każdy zawiera 18 aminokwasów z dodatnio naładowanymi aminokwasami, które wiążą się z ujemną częścią mikrotubul. Mogą działać w celu wiązania wielu mikrotubul ze sobą , z MAP2 trzymając mikrotubule w większej odległości ze względu na dłuższe ramię (w porównaniu do Tau).

mapy są regulowane przez fosforylację: kinazy białek znakowych kowalencyjnie wiążą grupy fosforanowe z aminokwasami S, T lub Y w białkach MAP, zmniejszając ich zdolność do wiązania mikrotubul. (Kinazy zależne od cyklin regulują również mapy podczas mitozy). Uważa się, że mapy te działają w celu określenia struktury fizycznej komórek. W neuronach MAP2 znajduje się w dendrytach, a Tau głównie w aksonie. Mutacje w genie MAPT kodującym Tau powodują otępienie czołowo-skroniowe (FTD). Hiperfosforylowane Tau znajduje się (choć nie wiemy dlaczego) w mózgach pacjentów z chorobą Alzheimera. Mysie modele obu tych chorób wykazują degenerację aksonalną, zgodnie z tym, że Tau nie jest w stanie wykonać swojej pracy stabilizacji mikrotubul w aksonie.

inna klasa białek, nazwana + końcówkami do ich wiązania z ( + ) końcem mikrotubul, może chronić przed katastrofą. Wydaje się, że rozciągają się sprawiedliwie w dół do mikrotubuli. Ten film pokazuje, że EB-1 jest wypychany na zewnątrz, ponieważ końce mikrotubul rosną:

inne białka wiążące koniec promują katastrofę, a nie stabilność. Kinezyn-13 działa, aby zakrzywić koniec protofilamentów, obniżając próg katastrofy. Stathmin (Gen STMN1; aka Op18, gdzie Op oznacza onkoproteinę) wiąże się z dimerami tubuliny w protofilamencie, promując zarówno natychmiastową katastrofę, jak i prawdopodobnie również hydrolizę GTP, która poprzez usunięcie „Wysp” Beta-tubuliny związanej z GTP stanowiłaby bardziej długoterminową inwestycję na rzecz katastrofy. Stathmin jest regulowany przez fosforylację. Katanin (po japońskim mieczu katana) dosłownie zrywa mikrotubule.

białka motoryczne mikrotubul są w dużej mierze podobne do białek motorycznych mikrofilamentów. Występują w dwóch rodzinach: kinezyny, z których większość przesuwa się w kierunku (+) końca; i dyneiny, z których większość przesuwa się w kierunku (-) końca. „Chodzą” w ten sposób:

Kinezyna i dyneina biorą udział w przemieszczaniu organelli, endocytozie i egzocytozie oraz segregacji chromosomów podczas mejozy & mitozy.

Kinezyna-1, najlepiej zbadana spośród kinezyn, jest „konwencjonalną” kinezyną, ponieważ działa jako tetramer złożony z dwóch jednostek łańcucha ciężkiego (geny KIF1 np. KIF1A), które zawierają domeny „głowy”, które hydrolizują ATP i wiążą mikrotubule, oraz dwie jednostki łańcucha lekkiego (geny KLC np. KLC1), które zawierają „ogon”, który wiąże ładunek, w tym przypadku pęcherzyki. Domena linkera(do którego białka należy ta część?) pozwala na dimeryzację dwóch ciężkich łańcuchów.

oto filmik z tego w akcji. Zauważ, że wideo nazywa to dimerem zamiast tetramerem; myślę, że to dlatego, że rozważają tylko orzeł, a nie omawiają ogony.

niektóre inne kinezyny nieco się różnią:

• Kinezyn-2, który również wykonuje transport organelli &, jest heterotrimerem z dwoma różnymi (choć pokrewnymi) ciężkimi łańcuchami i innym polipeptydem, którego używa do regulacji ładunku.
• Kinezyn-5 ma głowy na obu końcach zamiast głowy i ogona, tak że chodzi w przeciwnych kierunkach po dwóch różnych mikrotubulach, ciągnąc je razem. Jest to tzw. „ruch dwubiegunowy”.
• Kinezyna-14 jest jedyną znaną kinezyną, która porusza się w kierunku ( – ) końca i bierze udział w mitozie.

zasady ruchu „chodzenia” są prawie takie same dla wszystkich kinezynów i są przedstawione w ostatnim filmie powyżej. Gdy nie jest związany z mikrotubulą, „głowy” są związane z ADP. Jedna głowa napotyka mikrotubulę i wiąże się z nią, uwalniając ADP, umożliwiając zastąpienie jej ATP. Wiązanie ATP indukuje zmianę konformacyjną, która ciągnie łącznik, kołysając drugi, „opóźniając” głowę do przodu do pozycji wiodącej, gdzie wiąże się z mikrotubulą. Oryginalna głowica następnie hydrolizuje ATP, który uwalnia fosforan (który jest w skrócie Pi w filmie) i dostarcza energii dla jednego energicznie pod górę kroku w tym procesie, który jest oderwanie od mikrotubuli.

miozyna (białko ruchowe poruszające się po mikrofilamentach) i kinezyna mają bardzo podobne struktury, ale nie mają podobieństwa sekwencji aminokwasów. Stąd uważa się, że nie są paralogami, ale raczej przykładem zbieżnej ewolucji.

ludzie dużo mówią o kinezynach po części, ponieważ nie rozumiemy dynein tak dobrze. Dyneiny to ogromne białka, zbudowane z 2 dużych, 2 pośrednich i 2 małych podjednostek. Ich sama wielkość sprawiła, że trudno je wyodrębnić i scharakteryzować, a ich działanie nie jest dobrze zrozumiane. Wiemy, że kompleks dynaktyny (kompleks wielobiałkowy; same dynaktyny są genami DTCN_) jest zaangażowany jako „adapter”, który łączy dyneinę z ładunkiem.

ten film podsumowuje cały cytoszkielet i liny w dużej części materiału z zeszłego tygodnia i tego wykładu:

PrP

jak wspomniano w notatkach szlaku wydzielniczego, PrP jest zakotwiczony w błonie GPI i bardzo regularnie przechodzi endocytozę, tworząc pęcherzyki endocytarne z PrP w nich. Encalada 2011 stwierdza, że Kinezyn-1C i DHC1 (dynein heavy chain 1)są odpowiedzialne za transport tych pęcherzyków PrP odpowiednio przed i wstecznie. Gdy Encalada znokautował, znokautował lub hamował Kinezynę-1C, ruch przedni i wsteczny był zmniejszony, podobnie gdy DHC1 został zakłócony. Wydaje się więc, że te dwa kompleksy, choć poruszają się w przeciwnych kierunkach, uaktywniają się nawzajem. Co ciekawe, zaburzenie tych białek motorycznych nie przeszkodziło pęcherzykom PrP w kojarzeniu się z silnikami – po prostu nie poruszały się tak szybko ani często. W pracy przedstawiono szereg innych wniosków z biologii komórki dotyczących natury tego, w jaki sposób pęcherzyki aktywują białka motoryczne i w jaki sposób określa się kierunek transportu.