Kakšno kri proizvaja popkovna vena? Vse o popkovini. Ko je kaj narobe s popkovino

Intermediarni filamenti (IF) so zgrajeni iz fibrilarnih monomerov. Zato je osnovna struktura vmesnih filamentov podobna vrvi, ki ima debelino približno 8-10 nm. Lokalizirani so predvsem v perinuklearni coni in v snopih fibril, ki segajo do obrobja celic in se nahajajo pod plazemsko membrano (sl. 238, 240, 241). Vmesne filamente najdemo v vseh vrstah živalskih celic, vendar jih je še posebej veliko v tistih, ki so podvržene mehanskim obremenitvam: epidermalne celice, živčni procesi, gladke in progaste mišične celice. PF niso našli v rastlinskih celicah.

Intermediarni filamenti vključujejo veliko skupino izoproteinov, sorodnih proteinov, ki jih lahko razdelimo na štiri vrste. prvi - keratini, kisel in nevtralen, najdemo ga v epitelijskih celicah; iz teh dveh podtipov tvorijo heteropolimere. Keratini kažejo tudi nekaj heterogenosti glede na izvor tkiva. Tako najdemo do 20 oblik keratinov v epiteliju, 10 oblik drugih keratinov pa v laseh in nohtih. Molekulska masa keratinov se giblje od 40 do 70 tisoč.

Druga vrsta proteinov PF vključuje tri vrste beljakovin s podobno molekulsko maso (45-53 tisoč). to - vimentin, značilen za celice mezenhimskega izvora, del celičnega citoskeleta vezivnega tkiva, endotelij, krvne celice. Desmin– značilno za mišične celice, tako gladko kot progasto. Glija fibrilarni beljakovine je del PF nekaterih celic živčne glije – astrocitov in nekaterih Schwannovih celic. periferin – je del perifernih in centralnih nevronov.

Tretja vrsta - nevrofilamentni proteini(mol. teža od 60 do 130 tisoč) se nahaja v aksonih živčnih celic.

In končno, četrta vrsta - veverice jedrska lamini. Čeprav imajo slednji jedrsko lokalizacijo, so po strukturi in lastnostih podobni vsem proteinom vmesnih filamentov.

Kot smo že omenili, so vmesni filamenti zgrajeni iz fibrilarnih proteinov kot vrv. V tem primeru lahko nekateri proteini tvorijo kopolimere, na primer vimentin z desminom ali vimentin z glialnimi proteini.

Vsi proteini intermediarnih filamentov imajo podobno aminokislinsko zaporedje 130 ostankov v osrednjem delu fibrilarne molekule, ki ima a-vijačno strukturo. Končni odseki molekul imajo različne aminokislinske sekvence, različne dolžine in nimajo a-vijačne strukture. Prisotnost razširjenih a-spiralnih območij omogoča dvema molekulama, da tvorita dvojno vijačnico, podobno kot pri nastanku paličastega dimera, dolgega približno 48 nm. Dva dimera se združita drug ob drugem in tvorita kratek protofilament, tetramer, debel približno 3 nm. Takšni protofilamenti se lahko združujejo v debelejše in daljše fibrile in na koncu v vmesni popolni filament, sestavljen iz 8 vzdolžnih protofilamentov (slika 242).

V nasprotnem primeru proteini jedrske lamine polimerizirajo: tvorijo dimere z glavami na enem koncu in polimerizirajo, da tvorijo ohlapno pravokotno mrežo. Takšne plasti lamin se med mitozo hitro uničijo s fosforilacijo lamin.

Citoplazemski intermediarni filamenti so med najbolj stabilnimi in dolgoživimi elementi citoskeleta. Vendar pa in vivo opazimo vključitev vbrizganih označenih molekul keratina v PF epitelijskih celic. PF so odporne na delovanje soli z nizko in visoko koncentracijo in se uničijo šele po izpostavitvi denaturacijskim raztopinam, kot je sečnina.

Ta struktura in kemična stabilnost vmesnih filamentov verjetno določata njihovo fizikalno stabilnost. Služijo kot pravi podporni sistem v celicah, ki so izpostavljene znatnim telesna aktivnost. V celicah kožne povrhnjice vmesni filamenti tvorijo snope (tonofilamente), povezane z desmosomi in ustvarjajo togo znotrajcelično mrežo (slika 243). Tako v živčnih aksonih, ki se raztezajo na več deset centimetrov, PF ali nevrofilamenti ustvarijo togo podlago, ki zagotavlja prožnost in celovitost tankih citoplazemskih procesov živčnih celic. V prečnoprogastih mišičnih celicah so dezminovi filamenti del z-diskov in jih med seboj povezujejo tako v sarkomeru kot v sosednjih miofibrilih ter s plazemsko membrano.

Specifičnih zaviralcev polimerizacije proteinov intermediarnih filamentov še niso našli. Zato ostaja postopek sestavljanja in razstavljanja teh citoskeletnih elementov v živi celici nejasen. Najverjetneje so, tako kot lamini, depolimerizirani z delovanjem citoplazemskih kinaz, kar vodi do njihove fosforilacije. Izolirani vmesni filamenti pod delovanjem fosforilaz lahko razpadejo na monomere in depolimerizirajo.

Topografsko razporeditev vmesnih filamentov v celici ponavlja razporeditev mikrotubulov; zdi se, da gredo drug ob drugem. Ko mikrotubule uniči kolhicin, nastane ti kolaps intermediarnih filamentov: zberejo se v goste snope ali obroče okoli jedra. Obnova nove mreže vmesnih filamentov se začne v območju celičnega središča. To nakazuje, da so lahko središča njihove polimerizacije ali nukleacije središča, ki so skupna mikrotubulom.

Poglavje 21. Mikrofilamenti

Splošne lastnosti mikrofilamentov.

Mikrofilamente najdemo v vseh evkariontskih celicah. Še posebej veliko jih je v mišičnih vlaknih in celicah – visoko specializiranih celicah, ki opravljajo funkcije mišičnega krčenja. Mikrofilamenti (MF) so tudi del posebnih celičnih komponent, kot so mikrovili, trakasti spoji epitelijskih celic in stereocilije občutljivih celic. MF tvorijo snope v citoplazmi gibljivih živalskih celic in tvorijo plast pod plazemsko membrano - kortikalno plast (sl. 244a, 245). Za mnoge rastlinske celice in celice nižjih gliv, se nahajajo v plasteh gibljive citoplazme.

Glavni protein mikrofilamentov je aktin. Aktin je heterogeni protein; različne celice imajo lahko različne različice ali izooblike, od katerih je vsaka kodirana z lastnim genom. Tako imajo sesalci 6 različnih aktinov: enega v skeletne mišice, ena v srčni mišici, dve vrsti - v gladkih mišicah (ena od njih v krvnih žilah) in dve, nemišični, citoplazmatski aktin, ki je univerzalna sestavina vseh celic sesalcev. Vse te izooblike aktina so si zelo podobne v aminokislinskih sekvencah; imajo variantne končne regije, ki določajo hitrost polimerizacije, vendar ne vplivajo na kontrakcijo. Ta podobnost aktinov kljub nekaterim razlikam določa njihove splošne lastnosti. Aktin ima molekulsko maso približno 42 tisoč in ima v monomerni obliki obliko globule (G-aktin), ki vsebuje molekulo ATP. Pri polimerizaciji nastane tanka fibrila (F-aktin) debeline 8 nm, ki je ploščat spiralni trak (slika 246). Aktinski mikrofilamenti so po svojih lastnostih polarni. Pri zadostni koncentraciji začne G-aktin spontano polimerizirati. Pri takšni spontani polimerizaciji aktina na nastali niti mikrofilamenta se eden od njegovih koncev hitro veže na G-aktin (+ - konec mikrofilamenta) in zato raste hitreje kot nasprotni (minus konec). Če je koncentracija G-aktina nezadostna, se začnejo nastale fibrile F-aktina razpadati. V raztopinah, ki vsebujejo t.i. kritične koncentracije G-aktina se bo vzpostavilo dinamično ravnovesje med polimerizacijo in depolimerizacijo, zaradi česar bo F-aktinska fibrila imela konstantno dolžino (slika 247). Iz tega sledi, da so aktinski mikrofilamenti zelo dinamične strukture, ki lahko nastanejo in rastejo ali, nasprotno, razpadejo in izginejo, odvisno od prisotnosti globularnega aktina. Monomeri, ki vsebujejo ATP, se vstavijo na rastoči konec aktinskega filamenta. Ko polimer raste, pride do hidrolize ATP in monomeri ostanejo vezani na ADP. Molekule aktina, vezane na ATP, medsebojno delujejo močneje kot monomeri, vezani na ADP.

V celicah je tak na videz nestabilen fibrilarni sistem stabiliziran z množico specifičnih proteinov, povezanih s F-aktinom. Ja, beljakovine tropomiozin, v interakciji z mikrofilamenti, jim daje potrebno togost. Številne beljakovine, npr filamin in a-aktinin tvorijo navzkrižne povezave med filamenti F-aktina, kar vodi do tvorbe kompleksne tridimenzionalne mreže, ki daje citoplazmi gelasto stanje. Drugi dodatni proteini lahko vežejo filamente v snope (fimbrin) itd. Poleg tega obstajajo beljakovine, ki sodelujejo s konci mikrofilamentov in jih stabilizirajo, preprečujejo njihovo razstavljanje. Interakcija F-aktina s to celotno skupino proteinov uravnava agregatno stanje mikrofilamentov, njihovo ohlapno ali, nasprotno, tesno razporeditev in njihovo povezavo z drugimi komponentami. Beljakovine igrajo posebno vlogo pri interakciji z aktinom miozinski tip, ki tvorijo skupaj z aktinom kompleks, sposoben krčenja, ko se ATP razgradi (glej spodaj) (slika 262).

Tako so MF fibrile polimeriziranega aktina, povezanega s številnimi drugimi proteini. Načeloma lahko mikrofilamenti v vseh nemišičnih celicah opravljajo vsaj dve vrsti funkcij: so del kontraktilnega aparata, ki sodelujejo z motoričnimi proteini (miozin), ali sodelujejo pri tvorbi skeletnih struktur, ki so sposobne lastnega gibanja zaradi na procese polimerizacije in depolimerizacije aktina.

Še posebej veliko informacij o citoskeletu in mikrofilamentih je bilo pridobljenih s preučevanjem fibroblastov v tkivni kulturi, ki imajo sposobnost ameboidnega gibanja. Te celice nimajo stalnih fibrilarnih struktur, ki so odgovorne za gibanje; njihov fibrilarni aparat se nenehno reorganizira: nekateri fibrilarni elementi se na nekaterih delih celice razgradijo in na drugih nastanejo na novo.

Običajno je fibroblast, ki plazi po površini substrata, polariziran: ima gibljiv konec in del "repa". (Sl. 248, 249) Na gibljivem koncu, ki je pogosto bolj razprt po substratu kot stranski in repni del fibroblasta, se nenehno pojavljajo in izginjajo tanki nitasti ali lamelni izrastki - lamellipodia. To je vodilni rob celice (lameliplazma). Ki zagotavlja gibanje fibroblasta naprej. V takšnem premikajočem se fibroblastu je mogoče uporabiti protitelesa za prepoznavanje lokacije aktina. Razdeljen bo po treh glavnih delih celice: v obliki tanke plasti (1) se nahaja po celotnem obodu celice pod plazemsko membrano. To je kortikalna plast. Aktin je obilno zaznan v izrastkih citoplazme vodilnega roba celice (2) in (3) v snopih aktinskih filamentov, ki segajo od vodilnega roba globoko v celico (slika 245).

Korteks je sestavljen iz goste tridimenzionalne mreže aktinskih filamentov, povezanih s plazemsko membrano (tabela). Zagotavlja mehansko stabilnost površinske plasti citoplazme in ustvarja pogoje, ki celici omogočajo spreminjanje oblike in premikanje. Ta plast nenehno spreminja svoje agregatno stanje in prehaja iz stanja strukturiranega gela v tekoči sol. Takšni prehodi gel-sol so povezani s spremembami v strukturi kortikalne plasti. Tu so v povezavi z aktinskimi filamenti fibrilarni stabilizatorski proteini (npr. filamin), ki tvorijo zamrežne povezave na presečišču filamentov, kar daje togost celotnemu kortikalnemu sloju. Vendar pa je to togost mogoče zlahka razbremeniti z interakcijo z drugimi proteini, kot je gelsolin, ki povzročijo drobljenje in razstavljanje filamentov in s tem stanjšajo gel. To prestrukturiranje podmembranske plasti je še posebej izrazito v sprednjem robu, kar vam omogoča hitro spreminjanje oblike njegove površine, oblikovanje lamelipodij in premikanje naprej. Po drugi strani pa je mreža aktinskih filamentov sposobna krčenja, ker v njej so našli kratke miozinske agregate. To vodi bodisi do retrakcije lamelipodije bodisi do tega, da se celice potegnejo naprej. Mreža aktinskih filamentov v sprednjem robu je bolj jasno organizirana kot v preostalem delu korteksa. Tu se iz majhnih začetnih izrastkov plazmaleme v celico raztezajo snopi aktinskih filamentov, ki se s svojimi (+) konci končajo na plazemski membrani.

Proces nastajanja aktinskih filamentov in njihove rasti v coni lamelipzme je odvisen od številnih regulatornih proteinov. Eden izmed njih, protein WASp/Scar, se veže na plazemsko membrano. Vsebuje območja, ki se vežejo na aktin, še en poseben proteinski kompleks Arp2/3, ki se veže na (-) konec rastoče polimerne verige in preprečuje njeno depolimerizacijo. Tako zapletene interakcije dveh skupin regulatornih proteinov vodijo do nastanka rastočih filamentov na meji s plazemsko membrano, ki lahko plazemsko membrano upognejo tako, da nastane tanek izrastek, filopodij (slika 250).

V nasprotnem primeru pride do polimerizacije aktina med nastankom lamelipodija. Tudi tu imajo vodilno vlogo proteini WASp/Scar, ki so zasidrani na plazemski membrani in se vežejo na kompleks Arp2/3 ter ga pritrdijo na lateralno površino že pripravljenega aktinskega fibrila. Kompleks Arp2/3 sproži polimerizacijo nove aktinske fibrile, ki začne rasti pod kotom približno 70° glede na primarni aktinski filament in se zasidra na plazemsko membrano. Nastane več takšnih novih beljakovinskih verig, ki se kot pahljačasto razprostirajo proti plazemski membrani in jo potiskajo naprej. Tako nastane psevdopodij ali lamelipodija (slika 251) Zaradi rasti aktinskih filamentov na (+) koncih. Istočasno pride do depolimerizacije tistih (-) koncev filamentov, ki niso blokirani s kompleksi Arp2/3 in so izpostavljeni proteinom, ki spodbujajo depolimerizacijo MF.

Tako kompleksen proces rasti MF vodi do premikanja roba gibljive celice v prostoru. Ko se pojavijo lamelipodije, njihova plazemska membrana s pomočjo integrinskih proteinov tvori žariščne stike s substratom, iz katerega segajo snopi aktinskih filamentov, ki sodelujejo v drugi obliki gibljivosti, povezani z interakcijami med aktinskimi filamenti in miozinskim motornimi proteini.

miozini so ena od komponent MF. Glavno delo pri gibanju celic ali njihovih notranjih komponent s pomočjo MF poteka zaradi dela aktomiozinskega kompleksa, kjer aktinska vlakna igrajo vlogo vodil ("tirnic"), miozini pa delujejo kot translokatorji. Celoten aktomiozinski kompleks je ATP-aza, gibanje pa nastane zaradi energije hidrolize ATP.

Miozini so družina podobnih proteinov. Vsi imajo glavo(motorični) del, odgovoren za ATPazno aktivnost kompleksa, vratu, ki je povezan z več regulatornimi proteinskimi podenotami in rep, značilen za vsako vrsto miozina, ki določa specifičnost delovanja v celici. Obstajajo tri glavne vrste miozinov. Miozin II in miozin V sta dimera, v katerih α-spiralno repno območje tvori superzvito paličasto področje. Miozin I je monomerna molekula (slika 252). Dve molekuli miozina II se lahko med seboj povežeta in tvorita bipolarno debelo vlakno, ki sodeluje pri krčenju mišic, krčenju znotrajceličnih snopov MF in delitvi celic. Miozini tipa I in V sodelujejo pri interakcijah med citoskeletnimi elementi in membranami, na primer pri transportu veziklov.

Mehanizem delovanja aktomiozinskih kompleksov je zelo podoben, ne glede na vrsto miozina: začne se s povezavo miozinske glave z aktinskim filamentom, njegovim upogibanjem in kasnejšim odstopom. Med vsakim ciklom se miozinska glava premakne proti (+) koncu aktinskega filamenta za 5-25 nm med hidrolizo ene molekule ATP. Tako pride do enosmernega premika ali drsenja MF glede na molekule miozina (slika 253).

SEZNAM OKRAJŠAV

PF - vmesni filamenti

ER - endoplazmatski retikulum

GFAP - glialni kisli protein

IFAP - IF-povezani proteini

UVOD

Poleg osnovnih znotrajceličnih komponent imajo nekatere celice specializirane strukture, migetalke ali flagele, ki jim omogočajo, da se premikajo same ali premikajo tekočino okoli sebe. Večcelični živalski organizmi imajo specializirane celice, katerih mišično delo omogoča različna gibanja organov, posameznih delov ali celotnega organizma. Vse te številne motorične reakcije temeljijo na skupnih molekularnih mehanizmih. Poleg tega mora biti prisotnost katerega koli motoričnega aparata kombinirana in strukturno povezana z obstojem podpornih, okvirnih ali skeletnih znotrajceličnih tvorb. Zato lahko govorimo o mišično-skeletnem sistemu celic.

Obstajajo trije sistemi motoričnih elementov, ki se med seboj razlikujejo kemična sestava, ultrastruktura in funkcionalne lastnosti. To so mikrofilamenti, mikrotubuli in intermediarni filamenti.

To delo bo opisalo molekularno organizacijo, ultrastrukturo in funkcionalne lastnosti zadnja skupina motorni elementi.

POGLAVJE 1. SPLOŠNA OPREDELITEV IN LASTNOSTI VMESNIH FILAMENTOV

Vmesni filamenti (IF) so nitaste strukture iz posebnih beljakovin, ene od treh glavnih komponent citoskeleta evkariontskih celic. PF so zgrajeni iz fibrilarnih monomerov. Imenujejo se vmesni, ker je njihov premer (812 nm) vmesni v primerjavi z mikrotubuli (25 nm) in aktinskimi mikrofilamenti (58 nm). Zato je glavna struktura PF podobna vrvi, ki ima debelino približno 8-12 nm. Lokalizirani so predvsem v perinuklearni coni in v snopih fibril, ki segajo do obrobja celic in se nahajajo pod plazemsko membrano. PF najdemo v vseh vrstah živalskih celic, vendar jih je še posebej veliko v tistih celicah, ki so podvržene mehanskim obremenitvam: epidermalne celice, živčni procesi, gladke in progaste mišične celice. PF niso našli v rastlinskih celicah.

Na različnih stopnjah embrionalnega razvoja, na različnih stopnjah diferenciacije, v različnih vrstah celic se izražajo PF, sestavljene iz različnih proteinov. V nekaterih vrstah celic je hkrati prisotnih več različnih PF. Skupno je bilo v človeškem genomu najdenih približno 70 genov, ki kodirajo različne proteine PF, ki tvorijo eno največjih družin proteinov.

Študije in vitro pokazala zelo visoko odpornost PF na mehanske obremenitve. Veliko število polipeptidov na prerezu filamenta, močne lateralne hidrofobne interakcije, značilne za proteine, ki vsebujejo zvito supervijačnico, in elektrostatične interakcije, ki nastanejo med tvorbo tetramerjev, dajejo PF lastnosti vrvi: zlahka se upognejo, a so izjemno težko zlomiti. Ko celice obdelamo z detergenti ali raztopinami z visoko ionsko močjo, gredo PF zadnji od celičnih struktur v raztopino, kar pomeni, da kažejo zelo visoko stabilnost. PF se lahko zberejo in vitro v fiziološkem pufru brez kofaktorjev po popolni denaturaciji proteina v sečnini. Kot so pokazale nedavne študije, PF izkazujejo visoko dinamičnost in mobilnost in vivo . Eksogeni vimentin, vbrizgan v celico, se hitro integrira v že oblikovane filamente. To kaže, da je struktura PF regulirana z ravnovesjem med protofilamenti in polimeri in da se izmenjava podenot dogaja vzdolž celotne dolžine filamenta.

POGLAVJE 2. VMESNI FILAMENTNI PROTEINI

PF vključuje veliko skupino izoproteinov. Ti proteini so za razliko od globularnega aktina in tubulina paličaste oblike. Skupna lastnost vseh proteinov vmesnih filamentov je prisotnost osrednje jedrne domene z visoko vsebnostjo α-vijačnih regij. Ima zelo ohranjeno velikost, sekundarno strukturo in primarno zaporedje. Ta osrednja domena ima približno 310 aminokislin (350 za lamine in nevretenčarske proteine) in je sestavljena iz 4 α-vijačnih regij, povezanih z vrvicami. Terminalne domene proteinov IF nimajo spiralne strukture. Zelo se razlikujejo po dolžini in zaporedju aminokislin. Vsi PF proteini so sposobni fosforilacije. Mesta fosforilacije so lokalizirana na C- in N-koncih molekul. Poleg tega so lahko proteini vmesnih filamentov podvrženi drugim vrstam posttranslacijskih modifikacij, in sicer omejeni proteolizi z visoko specifičnimi proteazami, aktiviranimi s kalcijevimi ioni, glikozilaciji, ubikvitinaciji in karboksimetilaciji.

Na podlagi biokemičnih, imunoloških in strukturnih podobnosti ločimo pet različnih tipov PF.

Najštevilčnejša in po sestavi najkompleksnejša skupina proteinov PF so keratini, ki predstavljajo dve vrsti proteinov: tip I in tip II. Kisli keratini spadajo v tip I (16 izooblik), bazični keratini pa v tip II (13 izooblik). Za sestavo keratinskih PF sta potrebni obe vrsti proteinov, ki tvorita heteropolimere. Poznamo epidermalne keratine, preproste epitelijske keratine in keratine, ki so izraženi v laseh, dlaki in nohtih. Proteini PF tipa III vključujejo štiri proteine: desmin, vimentin, periferin in glialni kisli protein (GFAP). Desmin se izraža v vseh vrstah mišičnih celic; vimentin se nahaja v fibroblastih, limfocitih, endotelijskih celicah in nekaterih drugih mezenhimskih tkivih; perferin je prisoten predvsem v perifernih nevronih, kjer sodeluje pri sestavljanju PF skupaj s proteini tipa IV; GFAP se izraža v glialnih celicah. Za razliko od keratinov lahko PF proteini tipa III tvorijo homopolimere, lahko pa tvorijo tudi heteropolimere z drugimi proteini tipa III in s proteinom NF-L. Proteini PF tipa IV se izražajo predvsem v živčnih celicah, kjer sodelujejo pri rasti radialnih aksonov. Sem spadajo α-interneksin in triplet nevrofilamentnih proteinov: NF-L, NF-M, NF-H. Drug protein, nestin, ki so ga prvič odkrili v predhodnikih živčnih celic, včasih uvrščajo med posebne vrste proteina PF VI. Vendar pa lahko nestin glede na njegove strukturne značilnosti razvrstimo v tip IV. Poleg zgornjih proteinov, ki so del citoplazemskega PF, obstajata še dve vrsti, ki se zelo razlikujeta od njih: to so jedrski lamini, ki tvorijo tip V, in dva proteina tipa VI, ki ju najdemo v očesni leči. Pet vrst proteinov IF, identificiranih na podlagi homologije zaporedja, je razdeljenih v tri skupine, ki se razlikujejo po principih sestavljanja. V prvo skupino sodijo keratini, v drugo skupino spadajo PF tipa III in IV, tretjo montažno skupino pa sestavljajo lamini. Te tri skupine lahko soobstajajo kot 3 neodvisni PF sistemi znotraj iste celice. Citoplazmatski PF se lahko sestavi in vitro v odsotnosti pomožnih beljakovin. Člani prve skupine so obvezni heteropolimeri, to pomeni, da je za sestavljanje keratinskih filamentov potrebna povezava PF tipa I in II. Keratini niso sposobni tvoriti polimerov z drugimi vrstami PF. Proteini PF tipa III in NF-L, ki spadajo v drugo montažno skupino, tvorijo homopolimere in vitro , v celici pa jih zelo pogosto najdemo v obliki kopolimerov. Lamini ne morejo tvoriti kopolimerov s citoplazemskimi proteini PF.

POGLAVJE 3. ZGRADBA VMESNIH FILAMENTOV

Vmesne filamentne podenote vključujejo različne vrste monomernih proteinov, ki so sestavljeni samo iz ene vrste proteina, medtem ko so drugi (kot so nevrofilamenti) sestavljeni iz treh različnih proteinov.

Ne glede na vrsto celice so proteini PF dolgi vlaknasti polipeptidi s n - glavna domena terminala, C -končna repna domena in osrednja jedrna domena. Slednji je sestavljen iz α-vijačne regije, ki vsebuje vrsto ponovitev odseka 7 aminokislin. Ta regija je odgovorna za tvorbo dimerov z zvitimi tuljavami med dvema vzporednima α-vijačnicama.

Med tvorbo PF se dva zvita dimera vežeta drug na drugega antiparalelno in tvorita tetramer; tiste. n -konec enega dimera in C-konec drugega sta usmerjena v isto smer. Zaradi n - konec in C-konec proteinov PF sta različna, dimeri in tetrameri pa so zloženi antiparalelno, filamenti niso polarni; precej enaka na vsaki strani. To jih razlikuje od polarne strukture mikrotubulov in aktinskih filamentov in pojasnjuje, zakaj imajo IF popolnoma drugačne lastnosti.

Elastičnost teh filamentov je zagotovljena zlasti z dejstvom, da so dimeri vsakega tetramera zamaknjeni drug glede na drugega; ta struktura omogoča tetramerjem medsebojno komunikacijo. Ko se tetrameri poravnajo vzdolž osi filamenta in se vežejo na proste konce, nastane zrela PF.

Analiza primarnega zaporedja proteinov IF je pokazala, da imajo kljub veliki raznolikosti vsi skupen strukturni načrt (slika 1). Vsi proteini IF imajo osrednjo α-vijačno domeno, ki jo obdajajo ne-vijačne N-terminalne (»glava«) in C-terminalne (»rep«) domene. Končne domene različnih vrst IF-jev se zelo razlikujejo po velikosti in zaporedju primarnih aminokislin.

Slika 1. Shematski prikaz molekul nekaterih proteinov PF.

Nasprotno, struktura osrednje domene je izjemno konzervativna. Vsebuje štiri spiralne segmente 1A, 1B, 2A, 2B, ki so na treh mestih prekinjeni s kratkimi nevijačnimi povezovalnimi regijami L1, L1-2 in L2, ki pogosto vsebujejo ostanke prolina in glicina. Aminokislinsko zaporedje α-vijačnih regij osrednje domene je sestavljeno iz ponovitev, ki so heptade oblike (abcdefg)n, kjer sta položaja a in d prednostno zasedena z majhnimi hidrofobnimi ostanki levcina, izolevcina, metionina in valina. Tak ponavljajoč se motiv 7 a.a. značilnost beljakovin, ki lahko tvorijo zvito zvitko ali, z drugimi besedami, supervijačnico, sestavljeno iz dveh α-vijačnic. Površina α-vijačne domene proteinov PF je močno nabita. Na primer, v vimentinu je od 310 aminokislin, ki tvorijo osrednjo domeno, nabitih 116 × 70 kislih in 46 bazičnih aminokislin. Tako ima ena podenota vimentina presežek negativnega naboja 24 kislih aminokislinskih ostankov. V nasprotju s centralno domeno je "glava" mnogih proteinov IF pozitivno nabita. Vimentin ima v svoji N-terminalni domeni 12 argininov, medtem ko jih ima lamin B2 3. Poleg tega je število pozitivno nabitih aminokislinskih ostankov v korelaciji z dolžino N-terminalne domene (pri vimentinu je sestavljena iz 102 ostankov, pri laminu B2 sestavljena je iz 25). Tudi kisli glialni protein s kratko N-terminalno domeno 68 aminokislin vsebuje 9 bazičnih ostankov. Menijo, da pozitivno nabiti aminokislinski ostanki "glave" medsebojno delujejo z negativno nabitimi aminokislinami osrednje domene. Poleg tega so ti nabiti grozdi na površini filamenta lahko potencialna vezavna mesta za različne celične komponente.

Centralna domena citoplazemskih IF je dolga približno 45 nm in je sestavljena iz 310 aminokislin. V jedrnih laminah zaradi prisotnosti dodatnih 42 aminokislin v segmentu 1B osrednja domena vsebuje 356 aminokislinskih ostankov in je dolga 53 nm. Velikosti segmentov, ki tvorijo α-vijačno domeno PF, so zelo konzervativne: 1A 35 aminokislin, 1B 101 aminokislin, 2A 19 aminokislin in 2B 115 aminokislin. Izkazalo se je, da imajo PF različnih aminokislinskih zaporedij dve regiji, ki se nahajata na koncih α-vijačne domene, nespremenjeni v svoji sestavi. Eden od njih je odsek 26 aa, prvi dve tretjini segmenta 1A, od katerih jih je 8 popolnoma konzervativnih; druga je regija 32 ostankov na samem koncu segmenta 2B, ki vsebuje 13 absolutno ohranjenih ostankov. Z metodo navzkrižnega povezovanja je bilo ugotovljeno, da sta obe regiji vključeni v interakcijo sosednjih IF proteinskih dimerjev v zrelih filamentih. Druga značilnost strukture segmenta 2B je rahla motnja strukture heptade. Po 8 popolnih heptadah je bila ugotovljena vstavitev 4 dodatnih ostankov v vseh proteinih PF. Ta strukturna motnja je pomembna tudi za montažo PF. Linker L1 je zelo variabilen po velikosti in zaporedju, medtem ko je zaporedje povezovalca L2 zelo ohranjeno in je sestavljeno iz 8 aminokislin v vseh petih tipih PF. Ne-vijačni terminalni domeni proteinov IF, "glava" in "rep", se najbolj razlikujeta po dolžini in aminokislinski sestavi. Na primer, dolžina "repa" keratina K19 je le 9 ostankov, dolžina "repa" nestina pa 1491 ostankov.

Tako imajo vsi IF proteini podobno strukturo in velikost osrednje domene, ki nosi skupni negativni naboj, in končne domene, ki nosijo skupni pozitivni naboj, ki se zelo razlikujejo po dolžini in sestavi aminokislin.

POGLAVJE 4. SESTAVLJANJE VMESNIH FILAMENTOV

PF so polimeri, ki imajo edinstveno sposobnost samosestavljanja brez sodelovanja dodatnih proteinov in za razliko od mikrotubulov in aktinskih mikrofilamentov brez dodatne energije v obliki molekule ATP ali GTP. Na podlagi podatkov o strukturi PF proteinov je bil predviden možen mehanizem njihovega sestavljanja, ki je bil nato potrjen predvsem z elektronsko mikroskopskimi opazovanji, pa tudi z rentgensko difrakcijsko analizo in EPR spektroskopijo.

Sestavljanje PF poteka v več fazah (slika 2). Najprej nastanejo dimeri; osrednji domeni dveh polipeptidnih verig se ovijeta druga okrog druge in tvorita zvito vijačnico z razmakom 14 nm. Dimeri nastanejo kot posledica hidrofobnih interakcij med aminokislinskimi ostanki, ki se nahajajo na položajih a in d heptadnih ponovitev medsebojno delujočih beljakovinskih molekul.

Slika 2 . Shema, ki prikazuje posamezne korake samomontaže PF.

Končna področja osrednje domene igrajo posebno vlogo pri sestavljanju PF. Študije nastajanja filamentov in vitro je pokazalo, da celo točkovna zamenjava aminokisline na N-koncu segmenta 1A ali na C-koncu segmenta 2B povzroči resne motnje v njihovi strukturi.

Naslednja stopnja sestavljanja je povezovanje dimerjev v večje komplekse. V primeru citoplazemskih PF je to kombinacija dimerov v tetramere, kar jih razlikuje od laminov, ki so, ko so sestavljeni, povezani z mehanizmom "glava do repa", da tvorijo linearne polimere. Tvorba tetramerov vključuje elektrostatične interakcije izmenjujočih se con pozitivnih nabojev, katerih presežek je prisoten v N-terminalni domeni vimentina, in negativnih, ki prevladujejo v osrednji domeni molekule. Obstaja več modelov povezovanja dimerov v tetramere, predlaganih na podlagi rezultatov, dobljenih z metodo zamreženja (slika 3).

Slika 3. Shema, ki prikazuje tri možne modele za tvorbo tetramerja med sestavljanjem PF.

Ta metoda vključuje tvorbo kovalentne vezi med določenimi aminokislinskimi ostanki sosednjih molekul z uporabo posebnih reagentov, ki imajo dve reakcijski skupini, ki interagirata s temi ostanki. Najpogosteje uporabljeni reagenti so tisti, ki reagirajo z lizinom ali cisteinom. Nastale komplekse izoliramo, prečistimo, razgradimo s proteazami in analiziramo s kromatografijo. Primerjava kromatografskih profilov vzorcev, dobljenih pred in po navzkrižni cepitvi z natrijevim perjodatom, razkriva več možne možnosti navzkrižne povezave med molekulami ali znotraj ene molekule. Vrhovi v kromatogramih, ki izginejo po obdelavi z natrijevim perjodatom, ustrezajo molekulam, ki so nastale kot posledica navzkrižnih povezav med različnimi molekulami ali znotraj ene proteinske molekule. Tako ta metoda omogoča odkrivanje beljakovinskih regij, ki se nahajajo v neposredni bližini drug drugega, tj. ugotovite relativni položaj podenot v filamentih. Večina peptidov, dobljenih kot posledica proteolitičnega cepitve vimentinskih PF, se je izkazala za precej kratke (manj kot 10 ostankov), tako da je njihova aminokislinska sestava omogočila nedvoumno določitev lokacije peptida v zaporedju vimentina. V nekaterih primerih, ko je bil po zdravljenju s perjodatom odkrit samo en peptid, je to pokazalo, da se je znotraj verige oblikovala navzkrižna povezava.

Za vimentin je bilo ugotovljenih 16 edinstvenih navzkrižnih povezav, od katerih se 5 pojavlja med dvema vzporednima verigama, ki sta "v registru" in tvorita dvoverižno zvito homodimerno molekulo vimentina. 11 navzkrižnih povezav je mogoče pripisati trem možnim modelom medmolekularne interakcije, prikazanim na sliki 1. 3. Model A 11 (6 navzkrižnih povezav) nakazuje, da dva antiparalelna dimera medsebojno delujeta na tak način, da se segmenti 1B njunih osrednjih domen znatno prekrivajo. Po drugem modelu A 22 (3 navzkrižne povezave) se dva antiparalelna dimera prekrivata v območju segmentov 2B. V tretjem modelu A 12 (2 prečni povezavi) sta dva dimera antiparalelna in se popolnoma prekrivata. Obstoj teh treh vrst interakcij med dimernimi molekulami je bil potrjen za keratine. Za vimentin A je bil predlagan tudi četrti model interakcije med dimernimi kompleksi znotraj filamentov CN . Če sta dva tetramera nastala po modelih A 11 in A 22 , so v bližini, potem bo en dimer iz vsakega tetramera medsebojno deloval po principu "glava-rep". V tem primeru se bo 510 N-terminalnih ostankov segmenta 1A enega dimera prekrivalo s 510 C-terminalnimi ostanki segmenta 2B drugega dimera. Podobni podatki so bili pridobljeni za strukturo desminovih PF.

Do nedavnega je bilo mogoče strukturne informacije o sestavi PF pridobiti le z opazovanjem pripravkov, posnetih v določenih časovnih intervalih z uporabo elektronskega mikroskopa. Kasneje je bilo za spremljanje procesa sestavljanja uporabljeno sipanje rentgenskih žarkov pod majhnim kotom (SAXS), ki se uporablja za preučevanje makromolekul v raztopini. Izkazalo se je, da je montaža vimentina PF in vitro se pojavi z zaporedno tvorbo različnih oligomerov, vključno s tetrameri, oktameri in enim samim protofilamentom, sestavljenim iz štirih oktamerov. Meritve, opravljene s to metodo, kažejo, da so dimeri v tetramerju 3,4 nm narazen, medtem ko je razdalja med zvitima vijačnicama 1,5 nm. Morda je ta ločitev posledica dejstva, da je neposreden stik kislih osrednjih domen elektrostatično neugoden. Izkazalo se je tudi, da je kombinacija dimerjev v tetramer v skladu z modelom A 11 se pojavi v veliki meri zaradi druge polovice domene glave (3570 ostankov), tj. zdi se, da je elektrostatična privlačnost med pozitivno nabito glavo in kislo osrednjo domeno gonilna sila. Končna podenota PF je protofilament dolžine enote (65 nm), ki je v povprečju sestavljen iz štirih oktamerov. V prerezu je protofilament ene dolžine ovalen in ne okrogel. Glede na meritve z vrstičnim elektronskim mikroskopom se lahko posamezni protofilamenti močno razlikujejo po številu vimentinskih verig, ki jih tvorijo. Na zadnji stopnji sestavljanja se filamentne podenote stisnejo na debelino 1012 nm. Možno je, da to stopnjo spremlja tudi preureditev znotraj filamentov, ker različice sestavljanja tetramerjev A 22 in A 12 najdemo samo v zrelih strukturah. Obstoj tetramerov vimentina in vivo je že dokazano, vendar vprašanje prisotnosti drugih vmesnih komponent sklopa, kot so oktameri ali posamezni filamenti, zahteva nadaljnje raziskave. Število protofibril (oktamerov) na prerez PF se giblje od 2 do 6, odvisno od tipa PF in pogojev sestavljanja. Predpostavlja se, da je vsaka protofibrila sestavljena iz dveh protofilamentov, vsak protofilament pa je sestavljen iz tetramerjev, povezanih od konca do konca. Tako lahko po širini en filament sestoji iz 24 x 40 polipeptidov (običajno 2 x 8 tetramerov). Debelina se lahko razlikuje ne samo od enega filamenta do drugega, ampak celo znotraj enega filamenta.

V nasprotnem primeru proteini jedrske lamine polimerizirajo: tvorijo dimere z glavami na enem koncu in polimerizirajo, kar ustvari ohlapno pravokotno mrežo.

Topografsko razporeditev IF v celici sledi razporeditvi mikrotubulov; zdi se, da gredo drug poleg drugega. Ko mikrotubule uniči kolhicin, pride do tako imenovanega kolapsa PF: zberejo se v goste snope ali obroče okoli jedra. Obnova novega omrežja PF se začne v območju celičnega središča. To nakazuje, da so lahko središča njihove polimerizacije ali nukleacije središča, ki so skupna mikrotubulom.

POGLAVJE 5. VMESNI FILAMENTI V CELICI

Zreli PF in njihovi prekurzorji so znotraj celic dinamični in mobilni. Sestavljanje, razstavljanje in premikanje PF v celicah poteka neprekinjeno. Tvorba znotrajcelične mreže različnih vrst IF v različnih vrstah celic poteka na različne načine. To je lahko posledica dejstva, da PF sodeluje z različnimi vrstami molekularnih motorjev in drugimi dejavniki. Podenote IF in zreli polimeri so v citoplazmi v ravnovesju in do vključitve nove podenote lahko pride kjerkoli v zrelem filamentu. Vendar pa se tvorba mreže PF začne v bližini jedra. V celicah se ne premikajo le posamezne podenote, temveč tudi zrele fibrile. Za vimentinske IF je bilo dokazano, da se lahko premikajo v citoplazmi tako proti celični površini kot proti jedru. Povprečna hitrost gibanja dolgih PF je 0,20,3 µm/min, podenote PF pa se gibljejo hitreje (12 µm/s), predvsem po mikrotubulih. Večina (6570 %) se jih preseli na periferijo celice. Sposobnost podenot vimentina, da se premikajo vzdolž mikrotubulov v različnih smereh, je razloženo z njihovo povezavo z motoričnima proteinoma kinezinom in dineinom. Vezava na kinezin povzroči premikanje filamentov vimentina in njihovih podenot proti plus koncu mikrotubulov in proti celični površini. Premikanje do minus konca mikrotubulov, do jedra, je posledica interakcije z motoričnim kompleksom, ki ga sestavljata dinein in dynactin. Očitno so te interakcije potrebne za oblikovanje in vzdrževanje omrežja PF. Dolgi vimentinski IF se vežejo na IFAP, na primer plektin, ki tvori navzkrižne povezave med posameznimi IF in drugimi citoskeletnimi strukturami ter tako prepreči njihovo gibanje. Očitno je takšna interakcija potrebna za stabilizacijo PF na posebnih področjih citoplazme, ki so podvržena mehanskim obremenitvam ali deformacijam. Za razliko od vimentinskih IF-jev, ki so sestavljeni iz enega samega proteina, so keratinski IF-ji vedno heteropolimeri. Zato je za vzdrževanje stabilne mreže keratinskih filamentov potrebno ravnovesje med keratini tipa I in tipa II; presežek ene vrste keratina povzroči motnje v mreži PF. Zanimivo je, da se v celicah, ki hkrati izražajo keratin in vimentin, dolgi keratinski filamenti premikajo 3-krat počasneje od vimentinskih filamentov (0,06 μm/min), podenote keratina pa se premikajo 15-krat počasneje od podenot vimentina. Poleg tega je transport keratinskih podenot v glavnem usmerjen proti jedru (84 %). Morda se razlog za te razlike skriva v različni sposobnosti vezave keratinov in vimentina na mikrotubule in motorične proteine. Dejansko je večina keratinskih podenot povezanih z mrežo aktinskih mikrofilamentov, dinamične lastnosti keratinskih IF-jev pa so določene z interakcijo z miozinom. In ker se miozin premika počasneje kot motorični proteini, povezani z mikrotubuli, lahko to pojasni razlike v hitrosti gibanja keratinov in vimentina znotraj iste vrste celic. Posebej zanimiva je tvorba sistema PF v nevronih, imenovanih nevrofilamenti. Procesi teh celic lahko dosežejo dolžino približno meter. Če bi se transport PF zgodil z enako hitrostjo kot počasen transport drugih citoskeletnih struktur (0,3-8 mm/dan), bi trajala leta, da dosežejo distalne regije procesov. Vendar pa se nevrofilamentne podenote premikajo vzdolž aksona s hitrostjo 1,8 μm/s, saj jih po mikrotubulih prenašata kinezin in dinein. Res je, gibanje teh struktur prekinejo dolgi premori, tako da se premikajo le 27 % časa, v zrelih senzoričnih aksonih pa so nevrofilamenti v mirovanju približno 99 % časa.

POGLAVJE 6. FUNKCIJE VMESNIH FILAMENTOV

Po prevladujočih pogledih je glavna funkcija PF ohranjanje celične in tkivne celovitosti na podlagi njihovih mehanskih lastnosti in sposobnosti samosestavljanja. Povečano zanimanje za njihovo mehansko vlogo je posledica dejstva, da je znano, da dedne bolezni povzročajo motnje v strukturi PF v tkivih, ki so izpostavljena mehanskim obremenitvam, kot so koža, mišice in krvne žile. Vendar pa so PF prisotni v vseh vrstah celic, vključno s tistimi, ki niso izpostavljene mehanskim obremenitvam, in motnje njihovih omrežij vodijo tudi do patološke posledice. Obstajajo na primer resne bolezni, povezane z disfunkcijo PF v živčnem sistemu. To dejstvo, kot tudi dinamična narava IF-jev in prisotnost velikega števila povezanih signalnih proteinov, kaže, da IF-ji ne zagotavljajo le odpornosti proti zunanjim vplivom, temveč opravljajo tudi druge specializirane funkcije v celicah. Čeprav te funkcije v različnih vrstah celic še niso dovolj raziskane, je že jasno, kako velik je njihov pomen. Očitno je nemehanska funkcija PF povezana z njihovo udeležbo pri znotrajcelični porazdelitvi organelov in proteinov, pa tudi pri transportu lipidov. Funkcije PF so določene z njihovo interakcijo z različnimi celičnimi komponentami. Tako je mehanska celovitost celic PF zagotovljena z vezavo na druge komponente citoskeleta - mikrotubule, mikrofilamente in plazemsko membrano, interakcija s katerimi se pojavi na posebnih mestih pritrditve: v desmosomih in hemidesmosomih epitelijskih celic in na mestih žariščnih stikov celic. fibroblasti. Za interakcijo z organeli, kot so mitohondriji, Golgijev aparat, endosomi in lizosomi, se PF vežejo na različne komponente membran teh organelov. To vezavo posreduje velika družina proteinov IFAP, vendar se očitno lahko pojavi tudi neposredno.

6.1. Mehanske funkcije

Kot kažejo elektronske mikroskopske študije, so različne citoskeletne strukture povezane med seboj in z membranskimi organeli. "Mostovi", vidni na elektronskih mikrofotografijah za dolgo časašteli za povezovalne strukture neznane narave. Kasneje se je izkazalo, da so molekularni motorji, kinezini in dineini, odgovorni za povezavo številnih celičnih organelov z mikrotubuli. Vlogo kinezina pri interakciji IF z mikrotubuli smo dokazali z uporabo protiteles, ki blokirajo delovanje tega motoričnega proteina. Izkazalo se je, da se radialna porazdelitev PF vzdolž mikrotubulov izvaja zaradi transporta, odvisnega od kinezina.

Toda glavno vlogo pri interakciji IF s številnimi celičnimi komponentami igrajo IFAP, ki jih povezujejo z organeli, mikrofilamenti in mikrotubuli ter z medceličnimi stiki. Beljakovine, kot so desmoplakin, BPAG1 in plektin, spadajo v družino plakinov. Vse vsebujejo zelo dolgo osrednjo α-spiralno domeno, ki pri tvorbi dimernega kompleksa tvori zvito zvitje. Osrednjo domeno obdaja ne-vijačna N-terminalna domena, ki lahko vsebuje vezavna mesta za aktin in/ali vezavna mesta za mikrotubule, in C-terminalna domena, ki lahko poleg veznih mest IF vsebuje različno število ponavljajoče se domene A, B, C, značilne za desmoplakin.

Najbolj dobro raziskan protein je plektin, ki lahko povezuje tri različne citoskeletne sisteme in sodeluje z različnimi proteini. S pomočjo elektronska mikroskopija razvidno je, da plektin tvori stranske procese, ki segajo od PF, dolge približno 200 nm in debele 23 nm. Sposobnost plektina, da se veže na PF na obeh koncih, je nakazovala, da so konci njegove verige po svojih lastnostih identični, njegove molekule pa so homotetrameri. Kvantitativna analiza kompleksov vimentin-plektin je pokazala, da obstaja 10 molekul plektina na 1-μm dolg odsek PF. V mišicah se plektin kolokalizira s PF desmina v bližini Z-diskov in struktur, ki tvorijo znotrajcelični miofibrilarni okvir.

6.2. Znotrajcelična porazdelitev organelov

Do nedavnega nihče ni domneval, da bi lahko IF-ji sodelovali pri membranskem transportu, nedavno pa se je pokazalo, da IF-ji igrajo pomembno vlogo ne le pri transportu membranskih organelov, ampak tudi pri njihovem delovanju.

6.2.1. Mitohondriji in vmesni filamenti

Ena najpomembnejših vrst membranskih organelov za celično fiziologijo so mitohondriji. Nahajajo se v bližini PF v različnih vrstah celic in zdi se, da ima to pomembno vlogo. Izkazalo se je, da imajo mitohondriji v srčnih in skeletnih mišicah brez desmina spremembe v morfologiji in znotrajcelični lokalizaciji. Poleg tega v takšnih mitohondrijih opazimo progresivno uničenje matriksa, sami pa se zbirajo v skupinah v bližini sarkoleme. Vse te spremembe vodijo v disfunkcijo mitohondrijev: zmanjšana največja hitrost dihanje, z ADP stimulirano porabo kisika, kreatin kinaza izgine, raven citokroma c pade.

6.2.2. Golgijev aparat in intermediarni filamenti

Golgijev aparat se nahaja vzdolž PF blizu središča organizacije mikrotubulov. Interakcija Golgijevega aparata in vimentinskih PF je dobro raziskana in najdeni so bili proteini, preko katerih poteka njihova vezava. Eden od njih je form-imino-transferaza ciklodeaminaza, protein, ki razgrajuje histidin. Drug protein Golgijevega aparata, GM130, je prav tako lokaliziran vzdolž filamentov vimentina, ko so mikrotubule uničene, kar vodi do motenj v porazdelitvi Golgijevega aparata. Tretji protein, MICAL (molekula v interakciji s CasL), neposredno veže vimentin in GTPazo Rab1, ki je glavni udeleženec v vezikularnem transportu iz endoplazmatskega retikuluma v Golgijev aparat. Tako ima povezava med PF in Golgijevim aparatom, ki so jo preučevali v celični kulturi, očitno pomembno fiziološko vlogo.

6.2.3. Endosomi, lizosomi in intermediarni filamenti

Drug primer sodelovanja PF pri funkcijah membranskih organelov je njihova vloga pri transportu endosomov in lizosomov. Ugotovljeno je bilo, da se vimentin, periferin in α-interneksin vežejo na adapterski protein AP-3. Protein AP-3 je heterotetramerni adapterski kompleks, ki sodeluje pri transportu veziklov med endosomskim in lizosomskim kompartmentom in uravnava vstop proteinov v lizosome in tkivno specifične organele, melanosome, hematopoetske granule in sinaptične vezikle. Beljakovina AP-3 sodeluje s PF z uporabo specializirane domene podenot β3A in β3B, ki je prav tako potrebna za funkcijo AP-3, povezano z razvrščanjem beljakovin, in to je njegova edina regija, ki sodeluje z vimentinom. Odsotnost AP-3 ali vimentina v celicah povzroči pojav istega fenotipa, v obeh primerih je porazdelitev cinkovih ionov motena. V fibroblastih brez AP-3 ali vimentina se njegova raven zmanjša. Znotrajcelični cink je v glavnem lokaliziran v endocitnih veziklih in endosomih, njegovo shranjevanje pa je odvisno od pretoka klorovih ionov skozi njihove membrane. Kanali, skozi katere vstopa klor, uravnavajo tako pH v endosomih kot shranjevanje cinkovih ionov v njih. Proteini, ki tvorijo te kanale, se prenašajo z membranskimi vezikli, na katere je povezan adapterski kompleks AP-3. Predpostavlja se, da odsotnost kompleksa AP-3 v celicah vodi do motenj pH znotraj endosomov, ki je določen s transportom klorovih ionov. V celicah brez vimentina se vsebnost cinka v veziklih zmanjša za 40-krat.

Drugi tovor, za transport katerega je odgovoren kompleks AP-3, je molekula LAMP-2 (z lizosomom povezane membranske beljakovine). Je rezidenčni protein endosomov in lizosomov, ki je potreben za njihovo zlitje z avtofagosomskimi vakuolami, ki nastanejo iz endoplazmatskega retikuluma, obdajo organele, namenjene cepljenju, in jih dostavijo lizosomom ali endosomom. Dokazano je, da motnje v sestavljanju PF povzročijo motnje v tvorbi avtofagosomskih vakuol, vendar mehanizem njihove interakcije še ni znan. Obstaja domneva, da je kombinirani učinek PF in AP-3 povezan s transportom proteina LAMP-2. Pomembno pa je omeniti, da je lokalizacija endosomov in lizosomov neodvisna od PF.

6.2.4. Jedro in vmesni filamenti

Eden od pomembne funkcije PF je lokalizacija jeder. Vendar pa vloga PF pri jedrski lokalizaciji še ni dovolj raziskana. Najverjetneje je sestavljen iz držanja jedra na mestu in pridobivanja beljakovin, ki bi lahko vplivale na druge komponente citoskeleta.

6.2.5. Druge funkcije intermediarnih filamentov

Druge znane funkcije PF vključujejo njihovo sodelovanje pri vzdrževanju lipidne sestave membran. Tako je v preadipocitih odsotnost ali motnja strukture vimentinskih PF povzročila zmanjšanje stabilnosti trigliceridov, v fibroblastih in nadledvičnih celicah pa je povzročila motnje presnove holesterola. Številni podatki kažejo, da spremembe lipidne sestave membran nastanejo kot posledica poškodb, ki nastanejo pri pozne faze endosomska pot. Izkazalo se je, da eden ključnih encimov presnove holesterola, protein, ki veže oksisterol, sodeluje s PF vimentina. V celicah brez PF se poveča sinteza holesterola in zmanjša nastajanje estrov iz njega. Menijo, da je to povezano tudi z motnjami pri prehodu holesterola v endosomske in lizosomske membrane. Tudi zorenje glikosfingolipidov v celicah brez PF je upočasnjeno, ker je oviran njihov transport iz Golgijevega aparata v endosomski sistem. Motnje v transportu lipidov kažejo, da je interakcija transportnih veziklov s PF izjemno pomembna. Na koncu lahko opazimo raznolikost funkcij PF v celici. Skupaj z drugimi komponentami citoskeleta zagotavljajo mehansko trdnost celice, sodelujejo pri pravilni razporeditvi znotrajceličnih organelov in jedra ter pri transportu beljakovin. Vendar nekatere podrobnosti in subtilni mehanizmi teh interakcij še vedno ostajajo nejasni, tako kot vloge mnogih udeležencev.

ZAKLJUČEK

Potrebo po bolj poglobljeni študiji principov in mehanizmov delovanja PF v različnih vrstah celic narekuje predvsem dejstvo, da so motnje, povezane s temi citoskeletnimi strukturami, vzrok mnogih patološka stanja. Do danes so bile ugotovljene mutacije v genih proteinov PF, ki so osnova hudih dednih bolezni. Med njimi so dedna bulozna epidermoliza, povezana z mutacijami keratinov 5 in 14; miopatija in kardiomiopatija, ki jo povzročajo motnje desmina; tako težka nevrološke bolezni, kot sta amiotrofična lateralna skleroza in Alexanderova bolezen, povezana z mutacijami periferina oziroma GFAP; Parkinsonovo bolezen in nekatere druge hude živčne patologije, ki so posledica motenj nevrofilamentov. Druga uporaba temeljnega znanja o PF je bila uspešna uporaba proteinov, ki jih tvorijo, kot markerjev različnih maligni tumorji. Za številne vrste tumorjev lahko služi vrsta "napačnega" proteina PF diagnostični marker. IN Zadnje čase Zaradi povečanega zanimanja za problem uporabe matičnih celic so številni raziskovalci posvetili pozornost PF kot priročnemu označevalcu celične diferenciacije. Če ugotovimo, kateri protein PF se izraža v celicah, lahko preprosto in hitro določimo njihov tip. Tako so IF-ji pomembna sestavina citoskeleta, ki ima veliko edinstvene lastnosti in ima pomembno vlogo v celični fiziologiji.

LITERATURA

Wiki - Povezave [Elektronski vir]. Način dostopa:http://wiki-linki.ru/Page/1580780.
Vimentinski vmesni filamenti in njihova vloga pri intracelularni porazdelitvi organelov / A.A. Minin, M.V. Moldaver // Napredek v biološki kemiji. 2008. T. 48, str. 221-252.
Uvod v celično biologijo. Učbenik za univerze. 4. izdaja, revidirana. in dodatno / Yu.S. Čencov. M.: ICC “Akademkniga”, - 2004. 495 str.
Faler D.M., Shields D. Molekularna biologija celic. Vodnik za zdravnike. per. iz angleščine M.: Založba BINOM, 2006. 256 str.

Vmesni filamenti (IF) so podobni vrvi, debeli približno 8-10 nm, sestavljeni iz fibrilarnih monomerov. Lokalizirani so predvsem v perinuklearni coni in v snopih fibril, ki segajo do obrobja celic in se nahajajo pod plazemsko membrano (sl. 238, 240, 241). PF najdemo v vseh vrstah živalskih celic, vendar jih je še posebej veliko v tistih, ki so podvržene mehanskim obremenitvam: epidermalne celice, živčni procesi, gladke in progaste mišične celice. PF niso bili ugotovljeni v rastlinskih celicah.

Intermediarni filamenti so sestavljeni iz velike skupine sorodnih beljakovin, ki jih delimo na štiri vrste. Prva vrsta - keratini, kisel in nevtralen, najdemo ga v epitelijskih celicah; iz teh dveh podtipov tvorijo heteropolimere. Keratini kažejo tudi nekaj heterogenosti glede na izvor tkiva. Tako najdemo do 20 oblik keratinov v epiteliju, 10 oblik drugih keratinov pa v laseh in nohtih. Molekulska masa keratinov se giblje od 40 do 70 tisoč.

Druga vrsta proteinov PF vključuje tri vrste beljakovin s podobno molekulsko maso (45-53 tisoč). to - vimentin, značilen za celice mezenhimskega izvora, del citoskeleta celic vezivnega tkiva, endotelija in krvnih celic. Desmin– značilnost mišičnih celic, tako gladkih kot progastih. Glija fibrilarni beljakovine je del PF nekaterih celic živčne glije – astrocitov in nekaterih Schwannovih celic. periferin – je del perifernih in centralnih nevronov.

Tretja vrsta - nevrofilamentni proteini(mol. teža od 60 do 130 tisoč) se nahaja v aksonih živčnih celic.

In končno, četrta vrsta - veverice jedrska lamini. Čeprav imajo slednji jedrsko lokalizacijo, so po strukturi in lastnostih podobni vsem proteinom vmesnih filamentov.

Proteini jedrske lamine tvorijo ohlapno pravokotno mrežo. Takšne plasti lamin se med mitozo hitro uničijo s fosforilacijo lamin.

Citoplazemski intermediarni filamenti so med najbolj stabilnimi in dolgoživimi elementi citoskeleta.

Strukturne značilnosti in kemična stabilnost vmesnih filamentov določajo njihovo fizikalno stabilnost. Služijo kot pravi podporni sistem v celicah, ki so izpostavljene velikemu fizičnemu stresu. V celicah kožne povrhnjice vmesni filamenti tvorijo snope (tonofilamente), povezane z desmosomi in ustvarjajo togo znotrajcelično mrežo (slika 243). Tako v živčnih aksonih, ki se raztezajo na več deset centimetrov, PF ali nevrofilamenti ustvarijo togo podlago, ki zagotavlja prožnost in celovitost tankih citoplazemskih procesov živčnih celic. V prečnoprogastih mišičnih celicah so dezminovi filamenti del z-diskov in jih med seboj povezujejo tako v sarkomeru kot v sosednjih miofibrilih ter s plazemsko membrano.

Vmesni filamenti– močne in kemično stabilne beljakovinske niti debeline približno 10 nm (kar je vmesna vrednost med debelino mikrotubulov in mikrofilamentov). Najdemo jih v celicah različnih tkiv (glej spodaj) in se nahajajo v obliki tridimenzionalnih mrež v različnih delih citoplazme, obdajajo jedro in so del desmosomov in hemidesmosomov epitelijskih celic ( v plazmalemi katere so zavarovani s transmembranskimi proteini) ležijo po vsej dolžini nevronskih odrastkov. Vmesne filamente tvorijo nitaste beljakovinske molekule, ki so spletene skupaj kot vrv.

Funkcije vmesnih filamentov niso dobro razumljene; ugotovljeno pa je, da ne vplivajo niti na gibanje niti na delitev celice. Njihove glavne funkcije vključujejo:

(1)strukturni – podpiranje in podpiranje, zagotavljanje porazdelitve organelov na določenih območjih citoplazme;

(2) zagotavljanje enakomerne porazdelitve deformacijskih sil med tkivnimi celicami, kar preprečuje poškodbe posameznih celic (zaradi povezave intermediarnih filamentov s transmembranskimi proteini dezmosomov in hemidezmosomov);

(3) sodelovanje pri izobraževanju poroženela snov v kožnem epiteliju; v epitelnih celicah se vežejo na druge proteine in tvorijo neprebojne ovire (poroženele luske), so glavna sestavina las in nohtov;

(4) ohranjanje oblike procesov živčnih celic in fiksacija transmembranskih proteinov (zlasti ionskih kanalčkov);

(5) zadrževanje miofibril V mišično tkivo in pritrditev na plazmalemo, ki zagotavlja njihovo kontraktilno funkcijo.

Očitno je, da funkcije, označene s številkami (2)-(5), služijo kot delne manifestacije splošnejše strukturne funkcije (1) v različnih tkivih.

V poškodovani celici se mreža vmesnih filamentov (za razliko od drugih komponent citoskeleta) sesede in koncentrira okoli jedra ter povezuje poškodovane organele in beljakovinske agregate. Oblikuje se posebna struktura, ki kot kokon koncentrira poškodovane celične komponente za kasnejše uničenje z njihovo znotrajcelično prebavo. Med obnavljanjem celične strukture in delovanja po poškodbi se mreža vmesnih filamentov ponovno razpre po citoplazmi. Za razliko od mikrofilamentov in mikrotubulov tvorba vmesnih filamentov ne zahteva ATP in niso podvrženi nenehnemu sestavljanju in disociaciji, ampak so manj labilne in relativno stabilne strukture.

Porazdelitev intermediarnih filamentov različnih razredov v človeških celicah in tkivih

Razredi intermediarnih filamentov in njihova identifikacija.

Kljub temu, da je zgradba intermediarnih filamentov v različnih tipih celic podobna, se ti bistveno razlikujejo po molekulski masi in kemijski naravi, kar lahko dokažemo z imunocitokemičnimi metodami s protitelesi proti intermediarnim filamentom različnih razredov. Obstaja 6 glavnih razredov vmesnih filamentov (glej zgoraj). Citoplazma večine celic vsebuje samo en njihov razred; V nekaterih celicah ločimo dva razreda, od katerih je eden glavni.

Identifikacija razredov vmesnih filamentov je pomembna pri diagnozi tumorja za identifikacijo tkivne pripadnosti tumorskih celic, kar lahko določi izbiro zdravljenja in prognozo. Največji diagnostični pomen ima identifikacija citokeratinov, desmina in glialnih fibrilarnih kislih proteinov, ki služijo kot označevalci tumorjev epitelnega, mišičnega in glialnega izvora. Manj jasne rezultate dobimo z odkrivanjem vimentina, ki se izraža in soizraža (izraža v kombinaciji z beljakovinami drugih razredov intermediarnih filamentov) v številnih vrstah celic. Pomembne informacije o obsegu poškodbe epitelija lahko pridobimo z določitvijo izražanja molekularnih oblik keratinov, značilnih za celice določene lokalizacije in stopnje diferenciacije. Na ta način je mogoče ugotoviti na primer zgodnje predrakave spremembe na epiteliju, ki jih standardne morfološke metode ne odkrijejo.

Vmesni filamenti so glavne sestavine jedrskega in citoplazemskega citoskeleta

Vmesni filamenti so potrebni za vzdrževanje pravilne strukture in delovanja tkiva

Po premeru se vmesni filamenti nahajajo med aktinskimi filamenti in mikrotubuli ter tvorijo močne mreže

Intermediarni filamenti so polimeri, sestavljeni iz beljakovinskih podenot

Proteini, ki tvorijo vmesne filamente, so heterogeni in jih kodira družina velikih in kompleksnih genov.

Pri ljudeh je več kot 50 bolezni posledica mutacij v proteinih vmesnih filamentov

Mikrotubuli, aktinski filamenti (mikrofilamenti) in vmesni filamenti predstavljajo tri glavne sisteme beljakovinskih filamentov, ki sestavljajo citoskelet. Vmesni filamenti tvorijo mrežo v citoplazmi in jedru in so prisotni v vseh metazojskih (živalskih) celicah.

Za razliko od mikrotubulov in aktinskih filamentov, ki so potrebni celo za preživetje izolirane celice in vitro, glavna funkcija intermediarnih filamentov poteka na ravni tkivne organizacije, kjer so potrebni za pravilno delovanje tkiv in organov. Nekatere vrste vmesnih filamentov sodelujejo pri držanju celic skupaj, kar je potrebno za tvorbo tkiva.

Vmesne filamentne proteine kodira več velikih družin geni. Ti proteini tvorijo kompleksen sistem filamentov, ki v celici v normalnih fizioloških razmerah predstavljajo do 80 % vseh celičnih proteinov. Znotrajcelična porazdelitev intermediarnih filamentov se razlikuje od tiste, ki je značilna za aktinske filamente in mikrotubule.

Porazdelitev različnih tipov intermediarnih filamentov v gojenih fibroblastih.
Imunofluorescenčno barvanje za vimentin in lamin B. Vimentin se nahaja v citoplazmi, lamin pa v jedru.

Histologi so jih odkrili (v obliki nevrofibril nevronov in tonofilamentov epidermalnih celic) veliko prej, v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Posamezne filamente smo opisali med elektronsko mikroskopsko preiskavo mišičnega tkiva. V mišičnih celicah so "vmesni" filamenti zasedli vmesni položaj v premeru med "debelimi filamenti" miozina-II in "tankimi filamenti" aktina. Njihov povprečni premer je približno 10 nm, kar pomeni, da so debelejši od aktinskih filamentov (približno 8 nm) in tanjši od mikrotubulov (približno 25 nm). Vsi trije sistemi filamentov so prikazani na spodnji sliki.

Vmesni filamentni proteini značilna splošna molekularna struktura in polimerizirajo v filamente z visoko mehansko trdnostjo. IN elektronski mikroskop izgledajo enako. Pri višjih vretenčarjih je družina ustreznih proteinov najbolj kompleksno organizirana in to vprašanje bomo obravnavali v tem poglavju.

Podobno vmesni filamenti najdemo tudi pri nevretenčarjih, vendar je njihovo število genov, ki kodirajo ustrezne proteine, bistveno manjše kot pri vretenčarjih. Poleg tega so vmesni filamenti nevretenčarjev manj heterogeni in imajo manj tkivne specifičnosti kot filamenti sesalcev. Človeški genom vsebuje približno 70 genov, ki kodirajo proteine vmesnih filamentov. Ob upoštevanju alternativnega spajanja za nekaj izmed njih se skupno število teh proteinov približa 75.

Veliko so zastopani veliko število možnosti in so bolj heterogene kot aktinski ali tubulinski proteini. Za vse proteine vmesnih filamentov je značilno tkivno specifično izražanje. Med diferenciacijo se spremeni tudi njihov izraz.

Največ informacij o izražanju in biokemiji lastnosti, so bili pridobljeni, preden so bile ugotovljene njihove funkcije in povezanost z določenimi boleznimi. Zdaj se je pokazalo, da so mutacije v genih proteinov vmesnih filamentov povezane z mnogimi genetske bolezni, za katere so značilni različni fenotipske manifestacije. Vključujejo vsaj 50 ločenih bolezni, od fliktene do progerije.

Skoraj vse vrste proteinski geni intermediarnih filamentov povezana z eno ali drugo obliko krhkosti tkiva. To nakazuje, da je za delovanje tkiva in vivo potrebna ustrezna mehanska trdnost in da je večina tega neposredno ali posredno povezana z vmesnimi filamenti. Glede na to, da je ekspresija genov za beljakovine vmesnih filamentov specifična za tkivo, je povsem možno, da vsi ti proteini dajejo tkivnim celicam majhne odtenke razlike. Tkivne celice zahtevajo različne lastnosti, kot so trdnost, plastičnost ter hitro sestavljanje in razstavljanje struktur, ki zagotavljajo trdnost.

To je morda razlog, zakaj se je med evolucijo pojavilo toliko genov, ki kodirajo proteine vmesnih filamentov.

Glavne sestavine citoskeleta v elektronskem mikroskopu.
Ultratanek del epitelijske celice ledvic prikazuje aktinske mikrofilamente, vmesne filamente K8/K18 in mikrotubule.