MIKROFILEK: JELLEMZŐK, SZERKEZET, FUNKCIÓK, PATOLÓGIA - BIOLÓGIA - 2026

A mikrofilamentumok vagy aktin filamentumok az eukarióta sejtek citoszkeletonjának három fő alkotóeleme (mikrofilamentumok, mikrotubulusok és közbenső filamentek), és aktinnak nevezett protein kicsi filamenteiből (aktin polimerek) állnak.

Az eukariótákban az aktin mikrofilamentumokat kódoló gének erősen konzerváltak minden organizmusban, ezért gyakran használják molekuláris markerekként különféle típusú vizsgálatokhoz.

Fénykép a festett sejtek aktinszálairól (Forrás: Howard Vindin a Wikimedia Commons segítségével)

A mikrofilamentumok eloszlanak a citoszolban, de különösen elõfordulnak a plazmamembrán mögötti régióban, ahol komplex hálózatot alkotnak, és más speciális fehérjékkel társulnak, hogy a citoszkeletont képezzék.

Az emlős sejtek citoplazmájában található mikrofilamentumhálózatokat az aktinra leírt hat gén közül kettő kódolja, amelyek részt vesznek a mikrofilamentumok dinamikájában és nagyon fontosak az őssejtek differenciálódása során.

Számos szerző egyetért azzal, hogy a mikroszálak a legkülönbözőbb, sokoldalúbb és legfontosabb fehérjék a legtöbb eukarióta sejt citoszkeletonjában, és fontos megjegyezni, hogy ezek nem fordulnak elő a prokarióta mikroorganizmusokban.

Az ilyen típusú sejtekben viszont vannak olyan szálak, amelyek homológok a mikrofilamentumokkal, de egy másik fehérjéből állnak: az MreB proteinből.

Jelenleg úgy gondolják, hogy ezt a fehérjét kódoló gént az eukarióták aktinjának lehetséges ősi génjévé lehet tenni. Azonban az MreB fehérjét alkotó aminosavak szekvencia-homológiája csak az aktinszekvenciához viszonyítva 15%.

Mivel ezek a citoszkeleton alapvető részét képezik, a mikrotubulusok és a közbenső filamentumok, valamint az aktin mikrofilamentumok (citoszkeleton) bármilyen fenotípusos hibája különböző sejtbeli és szisztémás patológiákat okozhat.

Jellemzők és felépítés

A mikrofilamentumok aktincsalád fehérje monomereiből állnak, amelyek az eukarióta sejtekben rendkívül bőségesen összehúzódó fehérjék, mivel az izmok összehúzódásában is részt vesznek.

Ezeknek a szálaknak az átmérője 5 és 7 nm között van, ezért vékony filamentumokként is ismertek, és aktin két formájából állnak: a gömb alakból (G aktin) és a rostos alakból (F aktin).

A citoszkeletonban részt vevő fehérjéket γ és β aktinnak nevezzük, míg a kontrakcióban résztvevő proteineket általában α aktinnak nevezzük.

A gömbös aktin és a fonalas aktin aránya a citoszolban a sejtek igényeitől függ, mivel a mikroszálak nagyon változó és sokoldalú szerkezetűek, amelyek folyamatosan növekednek és rövidülnek a polimerizációval és depolimerizációval.

A G-aktin egy kis gömbös fehérje, közel 400 aminosavból áll, és körülbelül 43 kDa molekulatömeggel rendelkezik.

A mikroszálakat alkotó G-aktin monomerek spirális szál formájában vannak elrendezve, mivel mindegyik csavarodik át, amikor kapcsolódnak a következőhöz.

A G-aktin asszociálódik egy Ca2 + molekulával és egy másik ATP-vel, amelyek stabilizálják globális formáját; míg az F-aktint az ATP molekula terminális foszfátjának G-aktinné történő hidrolízise után nyerik, ami hozzájárul a polimerizációhoz.

Szervezet

Az aktin filamentumok "kötegekbe" vagy "hálózatokba" rendezhetők, amelyek a cellákban eltérő funkcióval rendelkeznek. A kötegek párhuzamos struktúrákat alkotnak, amelyeket meglehetősen merev kereszthidak kapcsolnak össze.

A hálózatok viszont lazább szerkezetűek, mint például a háromdimenziós háló, amelynek a félszilárd gélek tulajdonságai vannak.

Sok fehérje kapcsolódik aktinszálakhoz vagy mikrofilamentumokhoz, és ABP (aktinkötő fehérjék) néven ismert, amelyeknek vannak specifikus helyei ehhez.

Ezen fehérjék közül sok lehetővé teszi a mikrofilamentumok kölcsönhatásba lépését a citoszkeleton másik két komponensével: a mikrotubulusokkal és a közbenső filamentumokkal, valamint a plazmamembrán belső felületén lévő többi komponenssel.

Más olyan fehérjék, amelyekkel a mikrofilamentumok kölcsönhatásba lépnek, magukban foglalják a laminákat és a spektrint (a vörösvértestekben).

Hogyan alakulnak ki aktin szálak?

Mivel a globuláris aktin monomerek mindig azonos módon kötődnek, ugyanabba az irányba orientálódnak, a mikrofilamentumok meghatározott polaritásúak, két végük van: egy "több" és egy "kevesebb".

Ezeknek a szálaknak a polaritása nagyon fontos, mivel pozitív végükön lényegesen gyorsabban növekednek, ahol az új G-aktin monomereket hozzáadják.

Az aktin mikroszálak képződésének grafikus ábrázolása (Forrás: származékos munka: Retama (beszélgetés) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström a Wikimedia Commons-n keresztül)

Az első dolog, ami az aktinszálak polimerizációja során zajlik, egy "nukleáció" néven ismert folyamat, amely a fehérje három monomerjének összekapcsolódásából áll.

Új monomereket adunk ehhez a trimerhez mindkét végén, hogy az izzószál növekedjen. A G-aktin monomerek képesek az ATP hidrolizálására mindegyik kötéssel, ami kihatással van a polimerizáció sebességére, mivel az aktin-ATP csoportok sokkal nehezebben disszociálnak, mint az aktin-ADP csoportok.

Az ATP-re nincs szükség a polimerizációhoz, és hidrolízisének sajátos szerepét még nem sikerült tisztázni.

Egyes szerzők úgy vélik, hogy mivel az aktin polimerizációs eseményei gyorsan visszafordíthatók, az ezekkel a folyamatokkal kapcsolatos ATP az energetikai molekula teljes sejtforgalmának akár 40% -át képviselheti.

Szabályozás

Az aktin filamentumok polimerizációját és depolimerizációját egy sor specifikus fehérje szabályozza, amelyek felelősek a filamentumok átalakításáért.

A depolimerizációt szabályozó fehérjékre példa a kofilin aktin depolimerizációs faktor. Egy másik protein, a profilin, ellentétes funkcióval rendelkezik, mivel serkenti a monomerek asszociációját (az ADP cseréjének stimulálásával az ATP-vel).

Jellemzők

A mikrofilamentumok kölcsönhatásba lépnek a miozin filamentumokkal, amelyek a citoszolban és a sejt külső doménjének transzmembrán fehérjével társulnak, és így részt vesznek a sejtek mobilitásának folyamatában.

Ezek a plazmamembránnal társított mikrofilamentek különböző sejtválaszokat közvetítnek az ingerek különböző osztályaira. Például a hámszövetekben a sejtadhéziót a kadherinek néven ismert transzmembrán fehérjék hajtják végre, amelyek kölcsönhatásba lépnek a mikroszálakkal, és válaszfaktorokat toboroznak.

Az aktin filamentumok kölcsönhatásba lépnek a közbenső filamentumokkal, és az extracelluláris ingerek átvitelét a kulcsfontosságú helyekre, például a magban lévő riboszómákra és kromoszómákra vezetik át.

Az aktin mikrofilamentumok intracelluláris motoros funkciójának ábrázolása (Forrás: Boumphreyfr a Wikimedia Commons segítségével)

A mikroszálak klasszikus és jól megvizsgált funkciója az, hogy képesek "hidakat", "síneket" vagy "autópályákat" létrehozni a miozin I motoros fehérje mozgatására, amely képes az organellákból a membránba szállító vezikulumok betöltésére. plazma a szekréciós útvonalakban.

A mikrofilamentumok kölcsönhatásba lépnek a miozin II-vel, és létrehozzák a kontraktilis gyűrűt, amely a citokinezis során alakul ki, pontosan a sejtosztódás utolsó szakaszában, amelyben a citoszol elválasztódik az őssejttől és a lánysejttől.

Általánosságban az F-aktin mikrofilamentumok modulálják egyes organellák eloszlását, például a Golgi-komplexet, az endoplazmatikus retikulumot és a mitokondriumokat. Ezenkívül részt vesznek az mRNS-ek térbeli pozicionálásában is, így a riboszómák olvashatják őket.

A teljes sejtes mikrofilamentek, különösen azok, amelyek szorosan kapcsolódnak a plazmamembránhoz, részt vesznek a folyamatosan aktív mozgással rendelkező sejtek hullámos membránjainak kialakításában.

Szintén részt vesznek a mikrovillák és más gyakori dudorok kialakulásában sok sejt felületén.

Példa a májfunkciókra

A mikrofilamentumok részt vesznek az epe kiválasztásában a májsejtekben (májsejtek), valamint a máj canaliculi perisztaltikus mozgásaiban (koordinált összehúzódás).

Hozzájárulnak a plazmamembrán domének differenciálódásához, köszönhetően a különféle citoszolos elemekkel való összekapcsolódásuknak és az ezen sejten belüli elemek topográfia által gyakorolt ​​szabályozásának.

Kapcsolódó patológiák

Kevés betegség kapcsolódik a szerkezet primer károsodásaihoz, vagy a szabályozó fehérjékhez és enzimekhez a mikrofilamentumok szintézisében, annak ellenére, hogy ezek közvetlenül részt vesznek számos funkcióban.

A mikrofilamentumok elsődleges szerkezetében a betegségek és a rendellenességek alacsony aránya annak a ténynek tulajdonítható, hogy általában több gén létezik, amelyek mind az aktint, mind annak szabályozó fehérjét kódolják, ezt a jelenséget „genetikai redundancia” néven ismerték.

Az egyik leginkább tanulmányozott patológia az oociták üvegesedése citoszkeletonukon, ahol megfigyelhető a kortikális mikrofilamentumok hálózatának megszakadása, valamint a mitotikus orsó mikrotubulusának depolimerizációja és dezorganizációja.

Általánosságban ez a vitrifikáció kromoszómális diszperziót okoz, mivel az összes kromatin tömörítésének rendezetlenségéhez vezet.

Azok a sejtek, amelyek citoszkeletonjukban nagyobb a szervezettsége és aránya a mikrofilamentumoknak, a csíkos izom sejtjei, ezért a legtöbb patológia a kontraktilis készülék hibás működésével jár.

A hibás vagy atipikus mikrofilamentumokat a Paget-kór néven ismert csontbetegséggel is társították.

Irodalom

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C. és Vicente-Manzanares, M. (2017). A mikroszálakkal koordinált adhéziós dinamika megkönnyíti az egysejtes vándorlást és az egész szövetet formálja. F1000Kutatás, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV., Tsubakihara, M., Berry, DA, és Nosworthy, NJ (2003). Aktint kötő fehérjék: a citoszkeletális mikrofilamentumok szabályozása. Physiological Reviews, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., és Kanso, E. (2018). Bistabilitás a működtetett mikrofilamentek szinkronizálásában. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., és Vacanti, JP (szerk.). (2011). A szövettechnika alapelvei. Tudományos sajtó.
5. Robbins, J. (2017). A citoszkeleton betegségei: A dezminopátiák. Gyerekek és fiatal felnőttek kardioskeletális myopathiáiban (173-192. Oldal). Academic Press.