Cytoskelet Eukaryot

18.11.2015 16:15

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

  • 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

AK 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).

Zpět