МИКРОФИЛАМЕНТИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, ПАТОЛОГИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

На микрофиламенти или актин нишки, са един от трите основни компоненти на цитоскелета на еукариотни клетки (микрофиламенти, микротубули и междинни нишки) и са съставени от малки влакна на протеин, наречен актин (актин полимери).

При еукариотите гените, които кодират микрофиламентите на актина, са силно запазени във всички организми, поради което те често се използват като молекулни маркери за различни видове изследвания.

Снимка на актиновите нишки на оцветена клетка (Източник: Хауърд Виндин през Wikimedia Commons)

Микрофиламентите се разпределят в целия цитозол, но те са особено изобилни в областта, залегнала в плазмената мембрана, където образуват сложна мрежа и се свързват с други специални протеини, за да образуват цитоскелета.

Микрофиламентните мрежи в цитоплазмата на клетките на бозайниците са кодирани от два от шестте гена, описани за актин, които участват в динамиката на микрофиламентите и дори са много важни по време на диференциацията на стволовите клетки.

Много автори са съгласни, че микрофиламентите са най-разнообразните, многостранни и важни протеини в цитоскелета на повечето еукариотни клетки и е важно да се помни, че те не се намират в прокариотни микроорганизми.

В този тип клетки, от друга страна, има нишки, които са хомоложни на микрофиламентите, но които са съставени от друг протеин: протеинът MreB.

Понастоящем се смята, че генът, кодиращ този протеин, е възможен ген на предците за актин в еукариотите. Хомологията на последователността на аминокиселините, които съставляват MreB протеина, е само 15% по отношение на актиновата последователност.

Тъй като те са основна част на цитоскелета, всеки фенотипен дефект както в микротрубочките, така и в междинните нишки и актиновите микрофиламенти (цитоскелет) може да причини различни клетъчни и системни патологии.

Характеристики и структура

Микрофиламентите се състоят от протеинови мономери от семейството на актини, които са силно изобилни контрактилни протеини в еукариотните клетки, тъй като те също участват в свиването на мускулите.

Тези нишки имат диаметър между 5 и 7 nm, поради което те също са известни като тънки нишки и се състоят от две форми на актин: глобуларна форма (G актин) и нишковидна форма (F актин).

Протеините, които участват в цитоскелета, са известни като γ и β актини, докато тези, които участват в свиването, обикновено са α актини.

Съотношението на кълбовидния актин и нишковидния актин в цитозола зависи от клетъчните нужди, тъй като микрофиламентите са силно променливи и многостранни структури, които постоянно растат и се съкращават чрез полимеризация и деполимеризация.

G актинът е малък глобуларен протеин, съставен от почти 400 аминокиселини и с молекулно тегло около 43 kDa.

Мономерите G-актин, които съставят микрофиламентите, са подредени под формата на спирална жилка, тъй като всеки от тях претърпява обрат, когато е свързан със следващия.

G актинът се свързва с една молекула на Са2 + и друга от АТФ, които стабилизират глобуларната му форма; докато F-актинът се получава след хидролиза на крайния фосфат на молекулата ATP в G-актин, което допринася за полимеризацията.

организация

Актиновите нишки могат да бъдат организирани в "снопове" или "мрежи", които имат различни функции в клетките. Пачките образуват успоредни структури, свързани с доста твърди напречни мостове.

Мрежите, от друга страна, са по-разхлабени структури, като триизмерни мрежи със свойствата на полутвърди гелове.

Има много протеини, които се свързват с актиновите нишки или микрофиламентите и са известни като АВР (актино-свързващи протеини), които имат специфични места за него.

Много от тези протеини позволяват на микрофиламентите да взаимодействат с другите два компонента на цитоскелета: микротрубочки и междинни нишки, както и с другите компоненти на вътрешната страна на плазмената мембрана.

Други протеини, с които взаимодействат микрофиламентите, включват ядрени листове и спектрин (в червените кръвни клетки).

Как се формират актиновите нишки?

Тъй като глобуларните мономери на актина винаги се свързват по един и същ начин, ориентирани в една и съща посока, микрофиламентите имат определена полярност с два края: един „повече“ и един „по-малко“.

Полярността на тези нишки е много важна, тъй като те нарастват значително по-бързо в положителния си край, където се добавят новите G-актинови мономери.

Графично представяне на образуването на микрофиламент на актина (Източник: производна работа: Retama (беседа) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström през Wikimedia Commons)

Първото нещо, което се осъществява по време на полимеризацията на актиновите нишки, е процес, известен като "нуклеация", който се състои от свързването на три мономера на протеина.

Към този тример се добавят нови мономери от двата края, така че нишката да нарастват. G-актиновите мономери са способни да хидролизират АТФ при всяко свързване, което има отражение върху скоростта на полимеризация, тъй като актино-АТФ частите се разделят с по-голяма трудност, отколкото частите актин-ADP.

АТФ не е необходим за полимеризация и специфичната роля на неговата хидролиза все още не е изяснена.

Някои автори смятат, че тъй като събитията на полимеризацията на актина са бързо обратими, АТФ, свързан с тези процеси, може да представлява до 40% от общия клетъчен оборот на тази енергийна молекула.

регулиране

Както полимеризацията на актиновите нишки, така и тяхната деполимеризация са процеси, силно регулирани от серия от специфични протеини, които са отговорни за ремоделирането на нишките.

Примери за протеините, които регулират деполимеризацията, са кофилин с фактор на деполимеризация на актина. Друг протеин, профилинът, има обратна функция, тъй като стимулира асоциацията на мономерите (чрез стимулиране на обмяната на ADP за АТФ).

Характеристика

Микрофиламентите взаимодействат с миозиновите нишки, които са свързани с трансмембранни протеини, които имат домен в цитозола и друг в клетъчната екстериор, като по този начин участват в процесите на клетъчната мобилност.

Тези микрофиламенти, свързани с плазмената мембрана, медиират различни клетъчни отговори на различни класове стимули. Например, клетъчната адхезия в епителните тъкани се задвижва от трансмембранни протеини, известни като кадхерини, които взаимодействат с микрофиламенти за набиране на фактори на отговор.

Актиновите нишки взаимодействат с междинните нишки, за да причинят пренасяне на извънклетъчни стимули към ключови места като рибозоми и хромозоми в ядрото.

Представяне на вътреклетъчната двигателна функция на актиновите микрофиламенти (Източник: Boumphreyfr чрез Wikimedia Commons)

Класическа и добре проучена функция на микрофиламентите е способността им да образуват "мостове", "релси" или "магистрали" за движението на моторния протеин миозин I, който е в състояние да натоварва транспортни везикули от органели до мембраната плазма в отделителните пътища.

Микрофиламентите също взаимодействат с миозин II, за да установят контрактилния пръстен, който се образува по време на цитокинезата, точно през последния етап на клетъчното делене, в който цитозолът е отделен от стволови и дъщерни клетки.

По принцип микрофиламентите с F-актин модулират разпределението на някои органели като комплекса Голджи, ендоплазмен ретикулум и митохондрии. Освен това те участват и в пространственото позициониране на мРНК, така че да бъдат отчетени от рибозоми.

Целият клетъчен набор от микрофиламенти, особено тези, които са тясно свързани с плазмената мембрана, участват във формирането на вълнообразните мембрани от клетки, които имат постоянно активно движение.

Те също участват в образуването на микроворси и други често срещани неравности по повърхността на много клетки.

Пример за функции в черния дроб

Микрофиламентите участват в процеса на секреция на жлъчката в хепатоцитите (чернодробните клетки), а също и в перисталтичните движения (координирано свиване) на чернодробните каналикули.

Те допринасят за диференцирането на домените на плазмената мембрана благодарение на връзката им с различни цитозолни елементи и контрола, който упражняват над топографията на тези вътреклетъчни елементи.

Свързани патологии

Има малко заболявания, свързани с първични дефекти в структурата или с регулаторни протеини и ензими в синтеза на микрофиламенти, въпреки факта, че те са пряко ангажирани в голям брой функции.

Ниският процент на заболявания и малформации в основната структура на микрофиламентите се дължи на факта, че като цяло има множество гени, кодиращи както актина, така и неговите регулаторни протеини, явление, известно като „генетична редукция“.

Една от най-изследваните патологии е витрификацията на яйцеклетките върху цитоскелета им, където се наблюдава прекъсване в мрежата на кортикалните микрофиламенти, както и деполимеризация и дезорганизация на микротрубовете на митотичното вретено.

Най-общо, това витрифициране причинява хромозомна дисперсия, тъй като води до нарушение в уплътняването на целия хроматин.

Клетките, които имат по-голяма организация и съотношение на микрофиламенти в цитоскелета си, са клетките на набраздения мускул, поради което повечето патологии са свързани с неизправност на контрактилния апарат.

Дефектните или нетипични микрофиламенти също са свързани с болестта на костите, известна като болест на Педжет.

Препратки

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., и Vicente-Manzanares, M. (2017). Динамиката на адхезия, координирана от микрофиламент, задвижва миграцията на единични клетки и оформя цели тъкани. F1000Изследване, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). Актинови свързващи протеини: регулиране на цитоскелетните микрофиламенти. Физиологични прегледи, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., Shelley, M., & Kanso, E. (2018). Неустойчивост в синхронизацията на задействаните микрофиламенти. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (изд.). (2011 г.). Принципи на тъканното инженерство. Академична преса.
5. Robbins, J. (2017). Болести на цитоскелета: Дезминопатии. При сърдечно-скелетни миопатии при деца и млади възрастни (стр. 173-192). Академична преса.