MIKROVLÁKNA: VLASTNOSTI, STRUKTURA, FUNKCE, PATOLOGIE - BIOLOGIE - 2025

Tyto mikrovlákna nebo aktin vláken, jsou jedním ze tří hlavních složek cytoskeletu eukaryotických buněk (mikrovláken, mikrotubuly a intermediálních filament) a skládají se z malých vláken bílkoviny zvané aktin (aktin polymerů).

V eukaryotech jsou geny kódující aktinová mikrofilamenty vysoce konzervované ve všech organismech, a proto se často používají jako molekulární markery pro studium různých druhů.

Fotografie aktinových nekonečných vláken barvené buňky (Zdroj: Howard Vindin přes Wikimedia Commons)

Mikrovlákna jsou distribuována v cytosolu, ale jsou zvláště hojná v oblasti pod plazmovou membránou, kde tvoří komplexní síť a sdružují se s dalšími speciálními proteiny za vzniku cytoskeletu.

Mikrofilamentové sítě v cytoplazmě savčích buněk jsou kódovány dvěma ze šesti genů popsaných pro aktin, které se podílejí na dynamice mikrofilamentů a jsou dokonce velmi důležité během diferenciace kmenových buněk.

Mnoho autorů souhlasí s tím, že mikrofilamenty jsou nejrozmanitější, nejvšestrannější a nejdůležitější proteiny v cytoskeletu většiny eukaryotických buněk, a je důležité si uvědomit, že se nenacházejí v prokaryotických mikroorganismech.

Na druhé straně v tomto typu buněk existují vlákna, která jsou homologní s mikrovlákny, ale která jsou tvořena jiným proteinem: proteinem MreB.

V současnosti je gen kódující tento protein považován za možný gen předku pro aktin v eukaryotech. Sekvenční homologie aminokyselin, které tvoří protein MreB, je však pouze 15% vzhledem k aktinové sekvenci.

Protože jsou základní součástí cytoskeletu, může jakýkoli fenotypový defekt jak v mikrotubulích, tak ve středních filamentech a aktinových mikrofilamentech (cytoskeleton) způsobit různé buněčné a systémové patologie.

Vlastnosti a struktura

Mikrovlákna se skládají z proteinových monomerů aktinové rodiny, což jsou velmi hojné kontraktilní proteiny v eukaryotických buňkách, protože se také podílejí na svalové kontrakci.

Tato vlákna mají průměr mezi 5 a 7 nm, proto jsou také známá jako tenká vlákna a jsou tvořena dvěma formami aktinu: globulární formou (G aktin) a vláknitou formou (F aktin).

Proteiny, které se účastní cytoskeletu, jsou známy jako aktiny y a P, zatímco proteiny, které se účastní kontrakce, jsou obvykle a aktiny.

Podíl globulárního aktinu a vláknitého aktinu v cytosolu závisí na potřebách buněk, protože mikrofilamenty jsou vysoce variabilní a univerzální struktury, které se neustále rostou a zkracují polymerací a depolymerizací.

G aktin je malý globulární protein tvořený téměř 400 aminokyselinami as molekulovou hmotností přibližně 43 kDa.

G-aktinové monomery, které vytvářejí mikrofilamenty, jsou uspořádány ve formě spirálovitého vlákna, protože každá z nich podléhá zákrutu, když je spojena s dalším.

G aktin se spojuje s jednou molekulou Ca2 + a další z ATP, která stabilizuje jeho globulární formu; zatímco F-aktin se získá po hydrolýze terminálního fosfátu molekuly ATP na G-aktin, což přispívá k polymeraci.

Organizace

Aktinová vlákna mohou být uspořádána do „svazků“ nebo „sítí“, které mají v buňkách různé funkce. Svazky tvoří rovnoběžné struktury spojené poměrně tuhými příčnými mosty.

Sítě jsou naproti tomu volnější struktury, jako trojrozměrná oka s vlastnostmi polotuhých gelů.

Existuje mnoho proteinů, které se sdružují s aktinovými filamenty nebo mikrofilamenty a jsou známé jako ABP (aktin vázající proteiny), které pro ně mají specifická místa.

Mnoho z těchto proteinů umožňuje, aby mikrofilamenty interagovaly s dalšími dvěma složkami cytoskeletu: mikrotubuly a intermediálními vlákny, jakož is dalšími složkami na vnitřní straně plazmatické membrány.

Mezi další proteiny, se kterými mikrofilamenty interagují, patří nukleární laminae a spektrin (v červených krvinkách).

Jak se tvoří aktinová vlákna?

Protože globulární aktinové monomery se vždy vážou stejným způsobem, orientované stejným směrem, mají mikrofilamenty definovanou polaritu se dvěma konci: jedním „více“ a jedním „méně“.

Polarita těchto vláken je velmi důležitá, protože rostou podstatně rychleji na jejich pozitivním konci, kde se přidávají nové monomery G-aktinu.

Grafické znázornění tvorby aktinových mikrofilamentů (Zdroj: odvozená práce: Retama (diskuse) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström přes Wikimedia Commons)

První věc, která se odehrává během polymerace aktinových filamentů, je proces známý jako "nukleace", který spočívá v asociaci tří monomerů proteinu.

K tomuto trimeru se na obou koncích přidávají nové monomery, takže vlákno roste. G-aktinové monomery jsou schopné hydrolyzovat ATP s každou vazbou, což má důsledky pro rychlost polymerace, protože skupiny aktin-ATP disociují s většími obtížemi než skupiny aktin-ADP.

ATP není nezbytný pro polymeraci a specifická role jeho hydrolýzy nebyla dosud objasněna.

Někteří autoři se domnívají, že vzhledem k tomu, že polymerační události aktinu jsou rychle reverzibilní, může ATP spojený s těmito procesy představovat až 40% celkového buněčného obratu této energetické molekuly.

Nařízení

Polymerace aktinových vláken i jejich depolymerace jsou procesy vysoce regulované řadou specifických proteinů, které jsou zodpovědné za remodelaci vláken.

Příklady proteinů, které regulují depolymeraci, jsou aktinový depolymerizační faktor kofilin. Jiný protein, profilin, má opačnou funkci, protože stimuluje asociaci monomerů (stimulací výměny ADP za ATP).

Funkce

Mikrovlákna interagují s myosinovými filamenty, které jsou spojeny s transmembránovými proteiny, které mají doménu v cytosolu a další v buněčném exteriéru, a tak se účastní procesů buněčné mobility.

Tato mikrovlákna spojená s plazmatickou membránou zprostředkovávají různé buněčné reakce na různé třídy podnětů. Například buněčná adheze v epiteliálních tkáních je řízena transmembránovými proteiny známými jako kadheriny, které interagují s mikrofilamenty za účelem získání faktorů odezvy.

Aktinová filamenty interagují s intermediárními filamenty, což způsobuje přenos extracelulárních podnětů na klíčová místa, jako jsou ribozomy a chromozomy v jádru.

Reprezentace intracelulární motorické funkce aktinových mikrofilamentů (Zdroj: Boumphreyfr přes Wikimedia Commons)

Klasickou a dobře prozkoumanou funkcí mikrofilamentů je jejich schopnost tvořit „mosty“, „kolejnice“ nebo „dálnice“ pro pohyb motorového proteinu myosin I, který je schopen nakládat transportní váčky z organel na membránu plazma v sekrečních drahách.

Mikrovlákna také interagují s myosinem II a vytvářejí kontraktilní kruh, který se tvoří během cytokinezy, přesně v posledním stadiu buněčného dělení, ve kterém je cytosol oddělen od kmenových a dceřiných buněk.

Obecně F-aktinová mikrofilamenty modulují distribuci některých organel, jako je Golgiho komplex, endoplazmatické retikulum a mitochondrie. Dále se také podílejí na prostorovém umísťování mRNA tak, aby byly čteny ribozomy.

Celá buněčná sada mikrofilamentů, zejména těch, které jsou úzce spjaty s plazmatickou membránou, se účastní tvorby zvlněných membrán buněk, které mají stálý aktivní pohyb.

Také se podílejí na tvorbě mikrovilli a dalších běžných hrbolků na povrchu mnoha buněk.

Příklad funkcí v játrech

Mikrovlákna se účastní procesu vylučování žluči v hepatocytech (jaterních buňkách) a také v peristaltických pohybech (koordinované kontrakci) jaterních kanálků.

Přispívají k diferenciaci plazmatických membránových domén díky jejich asociaci s různými cytosolickými prvky a kontrole, kterou vykonávají nad topografií těchto intracelulárních prvků.

Související patologie

S primárními defekty ve struktuře nebo s regulačními proteiny a enzymy při syntéze mikrofilamentů existuje jen málo nemocí, přestože se přímo podílejí na velkém počtu funkcí.

Nízká míra nemocí a malformací v primární struktuře mikrofilamentů je způsobena skutečností, že obecně existuje více genů, které kódují jak aktin, tak jeho regulační proteiny, což je jev známý jako „genetická redundance“.

Jednou z nejstudovanějších patologií je vitrifikace oocytů na jejich cytoskeletu, kde je pozorováno přerušení sítě kortikálních mikrofilamentů, jakož i depolymerizace a deorganizace mikrotubulů mitotického vřetena.

Obecně tato vitrifikace způsobuje chromozomální disperzi, protože vede k poškození v zhutnění veškerého chromatinu.

Buňky, které mají větší organizaci a podíl mikrofilamentů ve svém cytoskeletu, jsou buňky pruhovaného svalu, a proto je většina patologií spojena s poruchou kontraktilního aparátu.

Defektní nebo atypická mikrofilamenta byla také spojena s onemocněním kostí známým jako Pagetova choroba.

Reference

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C. a Vicente-Manzanares, M. (2017). Dynamika adheze koordinovaná mikrofilamentem řídí migraci jednotlivých buněk a formuje celé tkáně. F1000Výzkum, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Proteiny vázající aktin: regulace cytoskeletálních mikrovláken. Physiological Reviews, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistabilita v synchronizaci ovládaných mikrofilamentů. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., a Vacanti, JP (Eds.). (2011). Principy tkáňového inženýrství. Akademický tisk.
5. Robbins, J. (2017). Nemoci cytoskeletu: Desminopatie. Kardioskeletální myopatie u dětí a mladých dospělých (str. 173-192). Academic Press.