MIKROFILAMENTI: KARAKTERISTIKE, STRUKTURA, FUNKCIJE, PATOLOGIJA - BIOLOGIJA - 2025

U mikrofilamenti ili niti aktina, jedan od tri glavne komponente citoskeleta eukariotskih stanica (mikreofilamenata, mikrotubula i srednji niti) i sastoje se od malih filamenata protein zvan aktin (aktin polimera).

Kod eukariota su geni koji kodiraju mikrofilamente aktina visoko očuvani u svim organizmima, zbog čega se često koriste kao molekularni markeri za istraživanja raznih vrsta.

Fotografija zamazanih ćelija od aktina (Izvor: Howard Vindin putem Wikimedia Commons)

Mikrofilamenti su raspoređeni u citosolu, ali posebno su obilni u regiji koja leži ispod plazma membrane, gdje oni tvore složenu mrežu i udružuju se s drugim posebnim proteinima kako bi tvorili citoskelet.

Mreže mikrofilamenta u citoplazmi stanica sisavaca kodiraju dva od šest opisanih gena za aktin, koji su uključeni u dinamiku mikrofilamenta i čak su vrlo važni tijekom diferencijacije matičnih stanica.

Mnogi se autori slažu da su mikrofilamenti najraznolikiji, svestrani i najvažniji proteini u citoskeletu većine eukariotskih stanica i važno je zapamtiti da se ti ne nalaze u prokariotskim mikroorganizmima.

S druge strane, u ovoj vrsti stanica postoje filamenti koji su homologni mikrofilamentima, ali koji se sastoje od drugog proteina: proteina MreB.

Trenutno se smatra da gen koji kodira ovaj protein može biti mogući gen predaka za aktin u eukariotama. Međutim, homologija sekvenci aminokiselina koje čine MreB protein je samo 15% u odnosu na aktinski slijed.

Budući da su temeljni dio citoskeleta, bilo koja fenotipska oštećenja mikrotubula i intermedijarnih niti i aktinskih mikrofilamenata (citoskeleta) mogu uzrokovati različite stanične i sistemske patologije.

Karakteristike i struktura

Mikrofilamenti su sastavljeni od proteinskih monomera iz porodice aktina, koji su visoko obilni kontraktilni proteini u eukariotskim stanicama, jer oni također sudjeluju u kontrakciji mišića.

Ti filamenti imaju promjer između 5 i 7 nm, zbog čega su poznati i kao tanka vlakna, a čine ih dva oblika aktina: globularni oblik (G aktin) i nitasti oblik (F aktin).

Proteini koji sudjeluju u citoskeletu poznati su kao γ i β aktini, dok su oni koji sudjeluju u kontrakciji obično α aktini.

Udio globularnog aktina i vlaknastih aktina u citosolu ovisi o staničnim potrebama, budući da su mikrofilamenti vrlo promjenjive i svestrane strukture, koje neprestano rastu i skraćuju se polimerizacijom i depolimerizacijom.

G aktin je mali globularni protein, koji se sastoji od gotovo 400 aminokiselina i molekulske mase oko 43 kDa.

Monomeri G-aktina koji čine mikrofilamente su raspoređeni u obliku spiralne žice jer svaki od njih trpi zavoj kada je povezan sa sljedećim.

G aktin se povezuje s jednom molekulom Ca2 + i drugom ATP-om, koja stabilizira njegov globularni oblik; dok se F-aktin dobije nakon hidrolize terminalnog fosfata ATP molekule u G-aktin, što doprinosi polimerizaciji.

Organizacija

Aktinski filamenti mogu se organizirati u "snopove" ili "mreže" koji imaju različite funkcije unutar stanica. Snopovi tvore paralelne strukture povezane prilično krutim križnim mostovima.

Mreže su, s druge strane, labavije strukture, poput trodimenzionalnih mreža sa svojstvima polučvrstih gelova.

Postoji mnogo proteina koji se povezuju sa aktinskim filamentima ili mikrofilamentima i poznati su pod nazivom ABP (aktinski vezni proteini) koji za to imaju specifična mjesta.

Mnogi od ovih proteina omogućuju interakciju mikrofilamentima s druge dvije komponente citoskeleta: mikrotubulama i intermedijarnim vlaknima, kao i s ostalim komponentama na unutarnjem licu plazma membrane.

Ostali proteini s kojima mikrofilamenti djeluju uključuju nuklearne lamine i spektrin (u crvenim krvnim stanicama).

Kako nastaju aktinski filamenti?

Budući da se globularni monomeri aktina uvijek vežu na isti način, orijentirani u istom smjeru, mikrofilamenti imaju definiranu polarnost, s dva kraja: jedan "više" i jedan "manje".

Polarnost ovih niti je vrlo bitna, jer oni znatno brže rastu na svom pozitivnom kraju, gdje se dodaju novi G-aktinski monomeri.

Grafički prikaz stvaranja mikrofilamenta aktina (Izvor: izvedbeni rad: Retama (razgovor) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström putem Wikimedia Commonsa)

Prvo što se događa tijekom polimerizacije aktinskih filamenata je postupak poznat kao "nukleacija", koji se sastoji od udruživanja tri monomera proteina.

U ovaj trimer se dodaju novi monomeri na oba kraja, tako da filament raste. Monomeri G-aktina mogu hidrolizirati ATP sa svakim vezanjem, što ima implikacije na brzinu polimerizacije, jer se aktinski-ATP dijelovi disociraju s većim poteškoćama od ostataka aktin-ADP.

ATP nije potreban za polimerizaciju, a specifična uloga njegove hidrolize još nije rasvijetljena.

Neki autori smatraju da, budući da su događaji polimerizacije aktina brzo reverzibilni, ATP povezan s tim procesima može predstavljati do 40% ukupnog staničnog prometa ove energetske molekule.

regulacija

I polimerizacija aktinskih filamenata i njihova depolimerizacija procesi su visoko regulirani nizom specifičnih proteina koji su odgovorni za preuređenje vlakana.

Primjeri proteina koji reguliraju depolimerizaciju su kofilin s faktorom depolimerizacije aktina. Drugi protein, profilin, ima suprotnu funkciju, jer potiče udruživanje monomera (stimulirajući razmjenu ADP-a za ATP).

Značajke

Mikrofilamenti međusobno djeluju s miozinskim filamentima koji su povezani s transmembranskim proteinima koji imaju domenu u citosolu, a drugu u staničnoj eksterijeri, sudjelujući u procesima mobilnosti stanica.

Ti mikrofilamenti povezani s plazma membranom posreduju različite stanične odgovore na različite klase podražaja. Na primjer, stanična adhezija u epitelnim tkivima pokreće se transmembranskim proteinima poznatim kao kadherini, koji komuniciraju s mikrofilamentima kako bi prikupili čimbenike odgovora.

Aktinski filamenti međusobno djeluju s intermedijarnim filamentima da uzrokuju prijenos vanćelijskih podražaja na ključna mjesta poput ribosoma i kromosoma unutar jezgre.

Prikaz unutarćelijske motoričke funkcije aktinskih mikrofilamenata (Izvor: Boumphreyfr putem Wikimedia Commonsa)

Klasična i dobro proučena funkcija mikrofilamenata je njihova sposobnost stvaranja "mostova", "tračnica" ili "autocesta" za kretanje motornog proteina miozina I, koji je sposoban učitati transportne vezikule iz organela u membranu plazma u sekretornim putovima.

Mikrofilamenti također djeluju s miozinom II kako bi uspostavili kontraktilni prsten koji nastaje tijekom citokineze, upravo u zadnjem stadijumu diobe stanica u kojem je citosol odvojen od matičnih i kćerskih stanica.

Općenito, F-aktinski mikrofilamenti moduliraju raspodjelu nekih organela kao što su Golgijev kompleks, endoplazmatski retikulum i mitohondrije. Nadalje, oni također sudjeluju u prostornom pozicioniranju mRNA tako da ih čitaju ribosomi.

Čitav stanični skup mikrofilamenata, posebno oni koji su usko povezani s plazma membranom, sudjeluju u stvaranju valovitih membrana stanica koje imaju stalno aktivno kretanje.

Oni također sudjeluju u stvaranju mikrovila i ostalih uobičajenih izbočina na površini mnogih stanica.

Primjer funkcija u jetri

Mikrofilamenti sudjeluju u procesu izlučivanja žuči u hepatocitima (stanice jetre), kao i u peristaltičkim pokretima (koordinirana kontrakcija) jetrenih kanala.

Oni doprinose diferencijaciji domena plazma membrane zahvaljujući njihovoj povezanosti s različitim citosolnim elementima i kontroli koju vrše nad topografijom tih unutarćelijskih elemenata.

Srodne patologije

Malo je bolesti povezanih s primarnim oštećenjima u strukturi ili s regulatornim proteinima i enzimima u sintezi mikrofilamenata, unatoč činjenici da su one izravno uključene u velikom broju funkcija.

Niska stopa bolesti i malformacija u primarnoj strukturi mikrofilamenata posljedica je činjenice da općenito postoji više gena koji kodiraju i aktin i njegove regulatorne proteine, fenomen poznat kao "genetska redukcija".

Jedna od najgledanijih patologija je vitrifikacija oocita na njihovom citoskeletu, gdje se opaža prekid mreže kortikalnih mikrofilamenata, kao i depolimerizacija i deorganizacija mikrotubula mitotskog vretena.

Općenito govoreći, ova vitrifikacija uzrokuje kromosomsku disperziju, jer dovodi do poremećaja u sabijanju svih kromatina.

Stanice koje imaju veću organizaciju i udio mikrofilamenata u svom citoskeletu su stanice prugastih mišića, stoga je većina patologija povezana s nepravilnim radom kontraktilnog aparata.

Defektivni ili atipični mikrofilamenti također su povezani s bolešću kostiju poznatom kao Pagetova bolest.

Reference

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C. i Vicente-Manzanares, M. (2017). Dinamika adhezije koordinirana mikrofilamentima pokreće migraciju pojedinih stanica i oblikuje cijela tkiva. F1000Research, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekić, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Proteini koji vežu aktin: regulacija citoskeletnih mikrofilamenata. Fiziološki pregledi, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Bistabilnost u sinkronizaciji aktiviranih mikrofilamenata. Časopis za mehaniku fluida, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., i Vacanti, JP (ur.). (2011). Načela inženjerstva tkiva. Akademska štampa.
5. Robbins, J. (2017). Bolesti citoskeleta: Desminopathies. U kardioskeletnim miopatijama kod djece i mladih (str. 173-192). Akademska štampa.