12.6: Транспорт на цитоскелеті

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3715

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Хоча це може бути корисно думати про ці цитоскелетних структур як аналог скелета тварини, можливо, кращий спосіб запам'ятати відносне розміщення мікротрубочок і мікрофіламентів є їх функція в транспортуванні внутрішньоклітинного вантажу з однієї частини клітини в іншу. За цією аналогією ми можемо вважати мікротрубочки залізничною системою, тоді як мікрофіламенти більше схожі на вулиці. За тією ж аналогією можна припустити, що мережа мікротрубочок і мікрофіламентна мережа з'єднані в певних точках так, щоб, коли вантаж досягає свого загального призначення мікротрубочкою (рейкою), то його можна було прийняти за певною адресою мікрониткою. Давайте продовжимо цю аналогію трохи далі. Якщо мікротрубочки і мікрофіламенти - це колії і вулиці, то які бувають поїзди і вантажівки? Ах, проникливе питання, Коник. На мікротрубочках «потяги» - це одне з двох сімейств молекулярних двигунів: кінезинів і динінів.

Ми можемо дещо узагальнити і сказати, що кінезини рухаються до (+) кінця (до периферії клітини), тоді як диніни йдуть до (-) кінця (до MTOC). На актинових мікрофіламентах молекулярними двигунами є білки сімейства міозінів. На цьому аналогії закінчуються, оскільки функціонування цих молекулярних двигунів сильно відрізняється від руху поїздом або вантажівкою. Нарешті, можна поставити під сумнів біологічну потребу в такій транспортній системі. Знову ж таки, якщо провести аналогію з людським транспортом, то можна сказати, що транспорт за допомогою простої дифузії схожий на людей, які несуть пакети випадковим чином навколо клітини. Тобто поставки в кінцевому підсумку будуть здійснені, але ви не хочете розраховувати на цей метод для критичних для часу матеріалів. Таким чином, потрібна спрямована високошвидкісна система, щоб підтримувати клітини (особливо більші, еукаріотичні клітини) живими.

Хоча цей тип транспорту зустрічається у всіх еукаріотичних клітиках, особливо добре вивченим випадком є аксональний транспорт (також званий аксоплазматичним транспортом) у нейронів. Тут транспортування матеріалів від тіла клітини (сома) до кінчиків аксонів іноді може проходити дуже великі відстані до декількох метрів у більших тварин, і повинні робити це своєчасно. Аксональний транспорт, як правило, класифікується як антероградний (від соми до аксонового терміналу) або ретроградний (від терміналів назад). Типи матеріалу, що транспортується в цих двох напрямках, дуже різні: значна частина антероградного транспорту - це білкові будівельні блоки для розширення аксонів або синаптичних бульбашок, що містять нейромедіатори; ретроградний транспорт - це переважно ендоцитарні бульбашки та сигнальні молекули. Аксональний транспорт також класифікується як швидкий і повільний. Повільний транспорт - це перш за все рух білків, безпосередньо пов'язаних з двигунами, і вони можуть рухатися від 100 мм на добу (ScA, повільний компонент а) до 3 мм/добу (SCB). Для порівняння, швидкий транспорт - це, як правило, рух везикул, і може варіюватися від 50 до 400 мм/добу. Механізм повільного транспорту обговорювався протягом більше десяти років до 2000 року, коли пряма візуалізація флуоресцентно маркованих нейрофіламентів у транспорті показала, що фактичний рух білків дуже схожий на рух у швидкому аксональному транспорті, але в транспорті було багато пауз, а» механізм «стоп і йти» швидше рухається від джерела до пункту призначення безперервно.

Знімок екрана 2019-01-07 в 7.11.44 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{7}\). Транспорт на мікротрубочках і мікрофіламентах.

Усі кінезини та диніни мають кілька ключових спільних рис. Існує каталітична енергозвільняюча «голова», з'єднана з шарніром або ділянкою шиї, що дозволяє молекулі згинатися або «ступити», і поза цим є вантажний хвіст (рис.\(\PageIndex{8}\)). Головка кінезину або динаїну каталізує гідроліз АТФ, вивільняючи енергію для зміни її конформації щодо шиї та хвоста молекули, дозволяючи їй тимчасово звільнити захоплення мікротрубочки, обертати свої «стегна» навколо, щоб посадити себе на «крок», і знову зв'язуватися з мікротрубочкою (рис. \(\PageIndex{9}\)). На актинових мікрофіламентах молекулярними двигунами є міозини, яких також багато типів (деякі зображені на малюнку\(\PageIndex{10}\)). Їх рух відрізняється від динінів і кінезинів, як буде описано в наступному розділі, але також використовує енергію гідролізу АТФ для забезпечення енергією конформаційних змін, необхідних для руху. Ми представили двигуни, але, враховуючи величезну різноманітність молекул, які потрібно транспортувати навколо клітини, мотори не могли б безпосередньо зв'язуватися з усіма ними. Фактично мотори зв'язуються зі своїм вантажем за допомогою молекул адаптера, які зв'язують двигун з одного боку, і молекулу вантажу або везикулу з іншого. Подальша експертиза вантажу та маршрутизація вантажу за адресними маркерами (SNAREs) обговорювалася в розділі везикулярного транспорту.

Знімок екрана 2019-01-07 в 7.12.05 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{8}\). Кінезин (А) і Динеїн (В) - рухові білки, які рухаються по мікротрубочках. Як правило, кінезини рухаються до (+) кінця, тоді як динаїни рухаються до (-) кінця. Їх рухова функція вимагає гідролізу АТФ. Місця зв'язування АТФ позначені білим кольором.

Знімок екрана 2019-01-07 в 7.12.11 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{9}\). Вантажний бульбашка (жовтий) може бути одночасно пов'язаний диненином (зеленим) і кинезином (синім) за допомогою білків-адаптерів. Ця верхня сторона також зображує рух кінезину, при якому зв'язування АТФ викликає вивільнення однієї «стопи», а гідроліз АТФ змушує молекулу обертатися іншою ногою спереду.

Знімок екрана 2019-01-07 в 7.12.21 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{10}\). Вибрані міозини. (А) Міозин I типу, в першу чергу для зв'язування мембран з f-актином, включаючи ендоцитарні бульбашки. (B) Міозин типу II, зв'язує f-актин на обох кінцях, щоб ковзати нитки один проти одного. (C) Міозин типу V, що використовується при везикулярному транспорті. (D) Міозин VI типу, що використовується при ендоцитозі. (E) Міозин типу XI, швидкий міозин, який використовується в цитоплазматичному потоці в рослинних клітині.