I rok BIOTECHNOLOGIA

Zagadnienia do przygotowania

na ćwiczenia i seminaria z przedmiotu BIOLOGIA KOMÓRKI

Tensegralność komórek

1. Pojęcie tensegralności komórki

2. Białka budujące cytoszkielet

3. Białka towarzyszące elementom cytoszkieletu (MAP, IFAP, ABP)

4. Mikrotubule: - budowa, występowanie i powstawanie

- struktury zbudowane z mikrotubul (centriole, rzęski, wici, wrzeciono kariokinetyczne)

- białka MAP (kinezyny, dyneiny)

- funkcje mikrotubul

3. Filamenty pośrednie:

- budowa i występowanie w komórce

- rola filamentów pośrednich

4. Mikrofilamenty:

- ABP - białka wiążące aktynę

- rola aktyny (filopodia, lamelipodia, włókienka naprężeniowe, mikrokosmki)

- białka motoryczne związane z aktyną

6. Patologie związane z zaburzeniami struktur cytoszkieletu komórki

7. Artykuł !!! „Taupatie - choroby zwyrodnieniowe ośrodkowego układu nerwowego związane z patologią białka tau” A. Pokryszko-Dragan, M. Zagrajek, K. Słotwiński Postępy Hig Med Dosw. 2005; 59: 386-391

proszę zwrócić uwagę na: pojęcie taupatii, izoformy 3R, 4R, rolę białka tau, złogi białkowe

Zalecana literatura:

• B. Alberts „Podstawy biologii komórki - wprowadzenie do biologii molekularnej” PWN 1999

• J. Kawiak „Seminaria z cytofizjologii dla studentów medycyny, weterynarii i biologii” Urban&Partner 2002

• G. Fuller, D. Shields „Podstawy molekularne biologii komórki - aspekty medyczne” PZWL 2000

• W. Kilarski „Strukturalne podstawy biologii komórki” PWN, 2003

CYTOSZKIELET :

Budują go 3 grupy włóknistych struktur:

- mikrotubule o średnicy 25 nm

- filamenty pośrednie o śr. 10 nm

- mikrofilamenty o śr. 6nm

 

Elementom cytoszkieletu towarzyszy liczna grupa białek dodatkowych, które łączą je  między sobą, bądź też łączą je z innymi składnikami komórki, np. plazmalemmą. Elementy cytoszkieletu mogą tworzyć ustabilizowane struktury np. miofibryle, wici, rzęski, centriole, centrosom, lub  pojawiać się w określonych sytuacjach np. wrzeciono podziałowe.

 

Mikrotubule

Mikrotubule są utworzone z podjednostek - cząsteczki tubuliny — z których każda jest dimerem bardzo podobnych bia­łek globularnych α-tubuliny i β-tubuliny. Podjednostki tubuliny łączą się ze sobą niekowalencyjnie, tworząc ścianę wydrążonej cylin­drycznej mikrotubuli. Całość tworzy cylinder zbudowany z 13 równole­głych protofilamentów, z których każdy jest linearnym łańcuchem podjednostek tubulinowych z   α - i β -tubuliną, występującymi na przemian wzdłuż całego łańcucha. Każdy protofilament ma strukturalną biegu­nowość polegającą na tym, że α-tubulina jest eksponowana na jednym, a β-tubulina na drugim końcu. To spolaryzowanie, jest takie samo dla wszystkich protofilamentów, nadając strukturalną biegunowość mikrotubuli jako ca­łości. Jeden koniec mikrotubuli, określony jako koniec β-tubulinowy, jest nazywany końcem plus, a koniec α-tubulinowy — końcem minus.

 W typowej komórce zwierzęcej mikrotubule wyrastają z niewielkiej struktury znajdującej się w pobliżu środka komórki zwanej centrosomem w którm zakotwiczone są pierścienie inicjujące przyłączenie pierwszych 13 cząsteczek tubuli­ny. Dimery tubuliny są dodawane stopniowo budując strukturę wydrążonej rurki.In vitro, w stężonym roztworze czystej tubuli­ny, dimery tubuliny są dokładane do obu końców rosnącej mikrotubuli, jakkolwiek szybciej są dokładane do końca plus aniżeli do końca minus (co było powodem, dla którego końce pierwotnie nazwano w ten sposób). Polarność mikrotubuli - to, że jej struktura ma określony kierunek z dwoma końcami zupełnie odmiennymi zarówno pod względem che­micznym, jak i zachowywania się —jest decydująca tak dla montażu mi­krotubuli, jak i dla ich roli po uformowaniu. Jeśli mikrotubule nie miały­by polarności, nie mogłyby służyć np. określaniu kierunku wewnątrzko­mórkowego transportu.

 

 Żyjąca komórka zawiera mieszaninę mikrotubul i wolnych podjednostek tubuliny. Na przykład, w typowym fibroblaście w każdej chwili blisko po­łowa tubulin zawarta jest w mikrotubulach, podczas gdy reszta pozostaje wolna w cytoplazmie tworząc pulę podjednostek wykorzystywanych do wzro­stu mikrotubul. Jest to odmienne od sytuacji z bardziej stabilnymi filamentami pośrednimi, gdzie podjednostki znajdują się prawie całkowicie w obrębie utworzonych filamentów. Względna niestabilność mikrotubul pozwala im na ustawiczne szybkie demontaż i montowanie w innych miejscach komórki.

 

Stałą przebudowę mikrotubul (np. wrzeciona podziałowego) można potwierdzić eksperymentalnie - jeśli komórka będąca w trakcie mitozy jest poddana działaniu leku kolchicyny, który wiąże się ściśle z wolnymi cząsteczkami tubuliny i zapobiega ich polimeryzacji w mikrotubule, wrzeciono mitotyczne szybko zanika i komórka zatrzymuje się w środku mitozy, niezdol­na do rozdziału swoich chromosomów na dwie grupy. To wskazuje, że wrzeciono mitotyczne jest utrzymywane poprzez stałą równowagę między wiązaniem i uwalnianiem podjednostek tubulinowych. Kiedy wiązanie tu­bulin zostaje zablokowane przez kolchicynę, uwalnianie tubulin trwa aż do zaniku wrzeciona.

Lek o nazwie taksol wykazuje odwrotne działanie na poziomie mole­kularnym. Wiąże się on ściśle z mikrotubulami i zapobiega uwalnianiu podjednostek tubulinowych. W tym czasie nowe podjednostki będą ciągle wiązane, co powoduje, że mikrotubule mogą rosnąć, ale nie są w stanie się skracać. Pokazuje nam to, że do pełnej funkcji wrzeciona mikrotubule muszą być zdolne zarówno do montażu, jak i demontażu.

Inaktywacja lub destrukcja wrzeciona mitotycznego ostatecznie zabija dzielącą się komórkę. Komórki nowotworowe, które dzielą się znacznie szybciej niż większość innych komórek organizmu, mogą być więc uśmier­cone wybiórczo przez leki antymitotyczne stabilizujące lub destabilizujące mikrotubule. Takie leki, wywodzące się z kolchicyny i taksolu, są używane w terapii klinicznej nowotworów.

 

Centrosom jest głównym ośrodkiem organizującym mikrotubule w komórkach zwierzęcych

Mikrotubule w komórkach tworzą się w wyniku wyrastania z wyspecjali­zowanych ośrodków, które kontrolują ich liczbę, umiejscowienie i orien­tację w cytoplazmie. W komórkach zwierzęcych takim miejscem jest centrosom, który jest typowo obecny w pobliżu jądra komórkowego. Organizuje on mikrotubule promieniście od jądra poprzez cytoplazmę. Centrosom składa się z pary centrioli ustawionych do siebie prostopadle i otaczającego je drobnoziarnistego materiału zwanego macierzą centrosomu. Centrosomy zawierają w macierzy setki struktur o kształcie pierścienia utworzonych przez γ-tubulinę. Każdy pierścień γ-tubulinowy służy jako punkt startowy (miejsce enukleacji) do wzrostu jednej mikrotubuli. Dimery αβ-tubuliny dołączają się do γ-tubulinowego pier­ścienia końcem “minus”, a wzrost nastę­puje tylko od strony końca plus, tj. końca skierowanego na zewnątrz centrosomu.

 

Centriole nie mają znaczenia w nukleacji mi­krotubul w obrębie centrosomu (do czego wystarczają same pierścienie γ-tubulinowe), a ich funkcja w tym regionie pozostaje nieznana, szczegól­nie że komórki roślinne ich nie mają.

 

Rosnące mikrotubule wykazują dynamiczną niestabilność

Mikrotubule są strukturami bardzo niestabilnymi, tzn. mogą się zmniejszyć się częściowo, a następnie, często również nagle, zacząć rosnąć od nowa lub też może zniknąć zupełnie i być zastąpiona przez nową mikrotubulę wy­rastającą z tego samego pierścienia γ-tubulinowego.

To szczególne zachowanie, znane jako dynamiczna niestabilność, wywodzi się z wewnętrznej zdolności cząsteczek tubuliny do hydrolizowa-nia GTP. Każdy wolny dimer tubulinowy zawiera jedną ściśle związaną cząsteczkę GTP, która jest hydrolizowana do GDP zaraz potem, gdy podjednostka zostanie dodana do rosnącej mikrotu­buli. Połączone z GTP cząsteczki tubulinowe są upakowywane mocno w ścianie mikrotubuli, natomiast cząsteczki tubuliny niosące GDP mają inną konformację i wiążą się ze sobą słabiej.

Jeśli polimeryzacja postępuje szybko, cząsteczki tubuliny są dodawane do końca mikrotubuli szybciej, aniżeli następuje hydroliza GTP. Powodu­je to, że mikrotubula jest złożona prawie w całości z podjednostek tubulina-GTP. Ponieważ podjednostki tubulina-GTP wiążą się silnie jedna z drugą, tworzą na końcu mikrotubuli rodzaj “czapeczki" - zwanej GTP cap - która zapobiega depolimeryzacji. W tej sytuacji mikrotubula bę­dzie kontynuować wzrost, ponieważ depolimeryzacja może zachodzić tyl­ko w wyniku uwalniania podjednostek na wolnym końcu. Jednakże z po­wodu przypadkowości procesów chemicznych może się czasami zdarzyć, że tubulina na wolnym końcu mikrotubuli hydrolizuje własny GTP, zanim przyłączy się następna tubulina, tak iż wolny koniec protofilamentu może zawierać nowe podjednostki tubuliny-GDP. To przechyla równowagę na korzyść demontażu. Ponieważ pozostała część mikrotubuli zawiera tubulinę-GDP, to raz rozpoczęta depolimeryzacja będzie miała tendencję do kontynuacji, często w katastrofalnym tempie; mikrotubule zaczynają się raptownie skracać i mogą nawet zupełnie zaniknąć. Cząstecz­ki tubuliny zawierające GDP uwolnione w wyniku depolimeryzacji mikrotubul dołączają do puli niespolimeryzowanych cząsteczek w cytozolu. Mogą one następnie wymienić związany GDP na GTP i w ten sposób stać się na nowo zdolne do połączenia z inną mikrotubulą, która jest właśnie w fazie wzrostu.

Konsekwencją dyna­micznej niestabilności jest to, że centrosom (lub inny ośrodek organizacji) stale wysuwa nowe mikrotubule w celach rozpoznawczych w różnych kie­runkach komórki, a następnie likwiduje je. Mikrotubula rosnąca z centrosomu na zewnątrz może być chroniona przed demontażem, jeśli jej koniec plus jest w jakiś sposób ustawicznie stabilizowany przez przyłączenie do innej czą­steczki lub struktury komórki. Jeśli mikrotubula jest stabilizowana po­przez przyłączenie do struktury występującej w bardziej odległym regio­nie komórki, to zapewnia ona względnie stabilne połączenie między tą strukturą a centrosomem. Centrosom można porównać do wędkarza zarzucającego wędkę; jeśli haczyk nie zostanie połknięty przez rybę, rybak ponownie zarzuca wędkę. Ale jeśli ryba chwyci, żyłka pozosta­je w miejscu łącząc rybę z wędkarzem. Ta prosta strategia przypadkowych poszukiwań i wybiórczej stabilizacji umożliwia centrosomowi i innym ośrodkom nukleacji mikrotubul utworzenie wysoko zorganizowanego systemu mikrotubul łączących określone części komórki.

 

Mikrotubule organizują wnętrze komórki

Komórki są zdolne do modyfikowania dynamicznej niestabilności swoich mikrotubul w szczególnych celach. Jeśli komórka wchodzi w stadium mitozy, mikrotubule stają się początkowo bardziej dynamiczne, balansując między wzrostem a skracaniem się o wiele częściej niż zwykle robią to mi­krotubule cytoplazmatyczne. Umożliwia to im szybki demontaż i ponow­ny montaż we wrzeciono mitotyczne. Z drugiej strony, kiedy komórka zróżnicowała się w wyspecjalizowany typ i ma określona strukturę, dynamiczna niestabilność jej mikrotubul jest zazwyczaj ograni­czona przez białka, które wiążą się z końcami mikrotubul lub wzdłuż ich przebiegu, co chroni przed demontażem. Ustabilizowane mikrotubule mogą służyć utrzymaniu organizacji komórki.

Najbardziej zróżnicowane komórki zwierzęce są spolaryzowane: np. komórki nerwowe, tworzące aksony z jednej strony, a dendryty z drugiej; komórki wyspecjalizowane w kierunku sekrecji mające aparat Golgiego usytuowany naprzeciw miejsca wydzielania itd. Polarność komórek jest odbiciem spolaryzowanego systemu mikrotubul w ich wnętrzu, który po­maga umieścić organelle w wymaganych miejscach w obrębie komórki i sterować ruchem między jedną częścią komórki a drugą. Na przykład, w komórce nerwowej wszystkie mikrotubule w aksonie są skierowane w tym samym kierunku, swoimi końcami plus ku zakończeniu aksonu. Wzdłuż tych wyznaczonych szlaków komórka jest zdolna do wysyłania “cargo" (ładunku), takiego jak pęcherzyki błoniaste czy białka sekrecyjne, które są wytwarzane w perykarionie, ale są potrzebne dużo dalej, na zakończeniu aksonu.

Niektóre rodzaje cargo są przesyłane z prędkością przekraczającą 10 cm/dzień, co jednak wciąż oznacza, że potrzeba na to tygodnia lub wię­cej czasu, aby cargo znalazło się na końcu długich aksonów, jakie wystę­pują u niektórych zwierząt. Taki transport wzdłuż mikrotubul jest jednakznacznie szybszy i bardziej wydajny niż wolna dyfuzja. Cząsteczki białka przemieszczające się na zasadzie wolnej dyfuzji mogą potrzebować roku, aby osiągnąć zakończenie długiego aksonu, jeśli w ogóle dotrą.

Mikrotubule w żywych komór­kach nie działają w izolacji. Ich funkcje, tak jak i różnych filamentów cy-toszkieletu, zależą od dużej różnorodności białek dodatkowych, które wiążą się z mikrotubulami i pełnią różne role. Niektóre białka łącząc się z mikrotubulami stabilizują mikrotubule zapobiegając ich demontażowi, inne natomiast wiążą mikrotubule z innymi strukturami komórki, w tym także z innymi typami filamentów wchodzących w skład cytoszkieletu. Stąd wszystkie składniki cytoszkieletu mogą wchodzić w interakcje, a ich funkcje mogą być skoordynowane. Mikrotubule wpływają również na roz­mieszczenie błon w komórce eukariotycznej, szczególnie za pośrednic­twem białek motorycznych towarzyszących mikrotubulom, które porusza­ją się wzdłuż mikrotubul. Białka motoryczne zużytkowują energię pochodzącą z hydrolizy ATP, aby transportować organelle, pęcherzyki czy inny materiał komórkowy wzdłuż szlaków utwo­rzonych w cytoplazmie przez filamenty aktynowe i mikrotubule.

 

Rzęski i wici zawierają stabilne mikrotubule przemieszczane przez dyneinę

Wiele mikrotubul w komór­kach jest stabilizowanych poprzez ich połączenie z innymi białkami. Stabilne mikrotubule są wyko­rzystywane przez komórki jako konstrukcje organelli ruchu, takich jak  rzęski i wici.

Rzęski (cilia) są strukturami o średnicy ok. 0,25 nm, występującymi na powierzchni wielu rodzajów komórek eukariotycznych. Pojedyncza rzęska zawiera rdzeń ze stabilnych mikrotubul o specyficznym układzie (9 podwójnych mikrotubul na obwodzie rzęski i dwie pojedyncze w środku), wyrastających z umiejscowionego w cytoplazmie ciałka podstawnego (o układzie mikrotubul - 9x3) które jest ośrodkiem organizacyjnym dla rzęski. Cała rzęska jest otoczona przez błonę komórkową. Pierwotną funkcją rzęski jest przemieszczanie płynu ponad powierzchnią komórki lub nada­wanie ruchu komórce w płynie. Na przykład, niektóre pierwotniaki uży­wają rzęsek zarówno do wychwytywania cząstek pokarmowych, jak i do lokomocji. Na komórkach nabłonkowych wyścielających drogi oddecho­we człowieka olbrzymia liczba rzęsek (ponad miliard na cm²) przesuwa warstwy śluzu z wychwyconymi cząstkami kurzu i martwymi komórkami w kierunku gardła w celu połknięcia i - w konsekwencji - eli­minacji z organizmu. Rzęski na komórkach jajowodu powodują przepływ płynu, który pomaga przemieszczać jajo wzdłuż jajowodu.

Wić (flagellum), która jest napędem wielu pierwotniaków i plemników, przypomina rzęskę pod względem struktury wewnętrznej, ale jest zazwyczaj dużo dłuższa. Wici są przeznaczone do ruchu całej komórki..

Ruch rzęski lub wici jest rezultatem ślizganiem się jedna na drugiej mikrotubul obwodowych. Mikrotubulom towa­rzyszą liczne białka, które lokalizują się w miejscach usytuowanych regularnie wzdłuż całej długości pęczka mikrotubul. Niektóre z nich służą jako wiązania poprzeczne, aby utrzymywać wiązkę mikrotu­bul razem, inne natomiast wytwarzają siły powodujące zginanie się rzęski. Najważniejszym z tych białek towarzyszących jest motoryczne białko dyneina rzęskowa, która generuje ruch zginający rdzenia rzęski czy wici.

 

Rola mikrotubul:

       stanowią sztywny szkielet wewnętrzny warunkujący kształt komórek oraz możliwość jego zmiany,

       warunkują ruch pełzakowaty komórek (np. pseudopodia),

       wyznaczają płaszczyznę  podziału komórki (pierścień preprofazowy),

       uczestniczą w transporcie np. ukierunkowywanie przemieszczania struktur komórkowych, ziaren wydzielniczych wzdłuż mikrotubul,

       wchodzą w skład wrzeciona podziałowego, a u roślin także cytokinetycznego,

       wchodzą w skład wici i rzęsek, budują kinetosom, centriolę i centrosom

 

 

 

Filamenty pośrednie

Filamenty pośrednie mają dużą wytrzymałość i ich główną funkcją jest umożliwienie komórce przeciwstawiania się mechanicznym stresom, któ­re pojawiają się, gdy komórka ulega rozciąganiu. Są nazywane “pośredni­mi", gdyż ich średnica (ok. 10 nm) mieści się między średnicą filamentów cienkich zawierających aktynę a średnicą grubszych filamentów miozynowych komórek mięśni gładkich, gdzie wykryto je po raz pierwszy. Filamenty pośrednie są najbardziej sztywnymi i wytrzymałymi ze wszystkich trzech typów filamentów tworzących cytoszkielet; gdy komórki są podda­wane działaniu stężonych roztworów soli i niejonowych detergentów, filamenty pośrednie pozostają, natomiast reszta cytoszkieletu komórki ulega zniszczeniu.

Filamenty pośrednie znajdują się w cytoplazmie większości, komórek zwierzęcych. Zazwyczaj tworzą sieć wewnątrz cytoplazmy, otaczając jądro komórkowe i rozciągając się aż do krańców komórki. Są często zakotwiczone w błonie komórkowej w miejscach połączeń mię­dzy komórkami. Filamenty pośrednie są również wykrywane w obrębie jądra komórkowego, gdzie sieć przez nie utworzona, zwana blaszką jądrową (ang. nuclear lamina), stanowi podstawę i wzmocnienie otoczki jądra we wszystkich komórkach eukariotycznych.

Filamenty pośrednie przypominają swoja strukturą linę składającą się z wielu długich ni­ci skręconych razem w celu zwiększenia wytrzymałości na rozciąganie. Podjednostki filamentów pośrednich są wydłużonymi biał­kami włóknistymi, na którego końcu aminowym znajduje się globularna głowa a na końcu karboksylowym również globularny ogona. Środkowa część (domena) takiego wydłużonego białka,  o charakterze α-helisy umożliwia parom białek filamentów pośrednich stworzyć stabilne dimery poprzez wzajemne owijanie się jeden wokół drugiego w tzw. konfigurację superhelisy. Dwa takie dimery łączą się poprzez wiązanie niekowalencyjne, aby utworzyć tetramer, a następnie tetramery wiążą się jeden z drugim, aby ostatecznie utworzyć podobny do liny filament pośredni.

Centralne, wydłużone domeny różnych białek tworzących filamenty pośrednie są podobne pod względem rozmiaru i sekwencji aminokwasów; stąd, kiedy upakowują się razem, zawsze tworzą filamenty o podobnej średnicy i wewnętrznej strukturze. Natomiast zadaniem globularnych do­men (głów i ogonów), które są eksponowane na powierzchni filamentu, jest przede wszystkim interakcja z innymi składnikami cytoplazmy. Do­meny globularne różnią się znacznie zarówno wymiarem, jak i sekwencją aminokwasów poszczególnych białek filamentów.

 

Filamenty pośrednie zabezpieczają komórki przed stresem mechanicznym

Filamenty pośrednie dominują szczególnie w obrębie cytoplazmy komó­rek narażonych na stresy mechaniczne. Występują w dużej liczbie, np. wzdłuż aksonów komórek nerwowych, stanowiąc znaczące wzmocnienie dla tych niezwykle długich i delikatnych wypustek komórkowych. Są one również liczne w obrębie komórek mięśniowych i nabłonkowych, któ­re są szczególnie narażone na mechaniczny stres, np. w skórze. W tych wszystkich komórkach filamenty pośrednie, poprzez napinanie się i roz­kładanie efektu miejscowo przyłożonych sił, zapobiegają pękaniu komórek i ich błon w odpowiedzi na rozciąganie.

 

Filamenty pośrednie znajdujące się w cytoplazmie można podzielić na trzy klasy:

1) Filamenty keratynowe w komórkach nabłonkowych;

2) Filamenty wimentynowe i filamenty wimentynopodobne w komórkach tkanki łącznej i mięśni oraz w komórkach glejowych  układu nerwowego(filamenty glejowe z kwaśnych białek glejowych w astrogleju);

3) Neurofilamenty w aksonach komórek nerwowych.

 

Filamenty każdej klasy są utworzone przez polimeryzację odpowiednich białkowych podjednostek. Najbardziej urozmaiconą rodzinę podjednostek stanowią keratyny. Na przykład, różne zestawy keratyn są znajdywane w różnych nabłonkach — inne w nabłonku wyścielającym jelito, a inne w naskórkowej warstwie skó­ry. Specjalne keratyny występują we włosach, piórach lub pazurach. Filamenty keratynowe typowo spi­nają wewnątrz każdej komórki nabłonkowej poszczególne regiony błony komórkowej, a filamenty w przylegających do siebie komórkach nabłon­kowych są pośrednio złączone poprzez połączenia mechaniczne -desmosomy. Końce filamentów keratynowych są przyczepione do desmosomów i łączą się z in­nymi składnikami komórki poprzez domeny swoich kulistych głów i ogo­nów, które wystają ponad powierzchnię utworzonego filamentu. Ta kon­strukcja, uformowana z filamentów ułożonych równolegle do powierzch­ni nabłonka, jest bardzo wytrzymała na siły rozciągające skórę.

Gdy cytoplazmatyczne filamenty pośrednie przypominają liny, to po­średnie filamenty wyścielające i wzmacniające wewnętrzną powierzchnię błony jądrowej są zorganizowane w dwuwymiarową sieć. Fila­menty pośrednie w obrębie blaszki jądrowej są zbudowane z białek zwanych laminami. W odróżnieniu od bardzo stabilnych cytoplazmatycznych filamentów pośrednich znajdowanych w wielu komórkach, fi­lamenty pośrednie blaszki jądrowej ulegają demontażowi i formowaniu na nowo przy każdym podziale komórkowym, gdy otoczka jądra rozpada się podczas mitozy i następnie tworzy się na nowo w każdej komórce potomnej.

 

Mikrofilamenty aktynowe

Filamenty aktynowe są znajdowane we wszystkich komórkach eukariotycznych i są niezbędne do wykonywania wielu ruchów, szczególnie tych, które dotyczą powierzchni komórki. Na przykład, bez filamentów aktynowych komórka nie jest w stanie pełzać po powierzchni, pochłaniać dużych czą­stek przez fagocytozę lub dzielić się. Podobnie jak mikrotubule, liczne filamenty aktynowe są niestabilne, ale potrafią także tworzyć stabilne struktu­ry w komórkach, takie jak aparat kurczliwy mięśnia. Filamentom aktynowym towarzyszy duża liczba białek wiążących się z aktyną, które umożliwia­ją filamentom wykonywanie wielu funkcji w komórkach. Zależnie od ich połączeń z różnymi białkami filamenty aktynowe mogą tworzyć sztywne i względnie trwałe struktury, takie jak:

1) mikrokosmki umiejscowione na szczytowej powierzchni komórek rąbka szczoteczkowego wyścielającego je­lito,

2) małe pęczki kurczliwe w cytoplazmie, które są zdolne do skurczu i działają jak “mięśnie" komórki,

3) tymczasowe struktury takie jak uwypuklenia, które powstają na wiodącym końcu pełza­jącego fibroblastu, 

4) pierścienie skurczowe, które dzielą cytoplazme na dwie części w momencie podziału komórki.

O tym, która z wielu form możliwej organizacji filamentów aktynowych ist­nieje w komórce, decyduje to, jaki rodzaj białek wiążących się z aktyną jest w danej komórce obecny.

Filamenty aktynowe są widoczne w mikroskopie elektronowym jako nitki o średnicy ok. 7 nm. Każdy filament jest skręconym łańcuchem identycz­nych globularnych cząsteczek aktyny, podobnie jak mikrotubule, mających strukturalną biegunowość, z końcem plus i koń­cem minus.

W komórce jest znacznie więcej pojedynczych filamen­tów aktynowych aniżeli mikrotubul. Całkowita długość wszystkich fila­mentów aktynowych w komórce jest co najmniej 30 razy większa niż cał­kowita długość wszystkich mikrotubul. Filamenty aktynowe rzadko wystę­pują w komórce pojedynczo, najczęściej są umiejscowione w poprzecznie powiązanych pęczkach i sieciach, które są znacznie silniejsze aniżeli poje­dyncze filamenty.

 

Aktyna i tubulina polimeryzują według podobnego mechanizmu

Filamenty aktynowe mogą rosnąć przez przyłączanie monomerów akty­nowych do każdego z końców, ale tempo wzrostu jest szybsze przy końcu plus niż przy końcu minus. Nagi filament aktynowy, podobnie jak mikrotubula, bez białek towarzyszących, jest z natury niestabilny i może ulegać demontażowi z obu końców. Każdy wolny monomer aktynowy niesie ści­śle związany ATP, który jest hydrolizowany do ADP wkrótce po przyłączeniu monomeru aktyny do filamentu. Podobnie jak w przypadku tubuliny-GTP, hydroliza ATP do ADP w filamencie aktynowym zmniejsza wytrzymałość połączeń między monomerami oraz stabilność polimeru. W ten sposób hydroliza nukleotydu ułatwia depolimeryzację, pomagając komórce w demontażu filamentów.

Podobnie jak to dotyczyło mikrotubul, zdolność do montażu i demon­tażu jest niezbędna do wielu funkcji wykonywanych przez filamenty akty­nowe, takich jak ich udział w ruchach komórki. Funkcja filamentów akty­nowych może być zakłócona eksperymentalnie przez toksyny grzybów -zarówno takie, które zapobiegają polimeryzacji aktyny, jak cytochalazyny, jak i takie, które stabilizują filamenty aktynowe zapobiegając depolimeryzacji, jak faloidyny. Dodanie cytochalazyny w małym stężeniu natychmiast zamraża ruch komórki, taki jak np. pełzający ruch fibroblastów. Stąd, funkcja filamen­tów aktynowych zależy od dynamicznej równowagi między filamentami aktynowymi a pulą monomerów aktyny, ponieważ typowy filament istnie­je tylko przez kilka minut od momentu uformowania.

Wiele białek wiąże się z aktyną i modyfikuje jej właściwości (ABP)

W komórkach występuje duża liczba białek wiążących się z aktyną, wśród których należy wymienić:

    białka regulujące polimeryzację filamentów aktynowych, które utrzymują równowagę pomiędzy aktyną G ( niespolimeryzowaną) i aktyną F( zpolimeryzowaną)

    białka czapeczkowe wiążące się z końcem plus i zapobiegające dalszemu wzrostowi filamentów

    białka rozcinające, które tną istniejące filamenty na krótsze i regulują ich długość

    białka wiążące krzyżowo spinające krzyżujące się filamenty

    białka wiążące filamenty w pęczki, które zespalają leżące równolegle do siebie filamenty

    białka motoryczne (miozyny) , które wiążą i hydrolizują ATP, co dostarcza energię do ich ruchu wzdłuż filamentów aktynowych od końca(-) do końca (+). Cząsteczki miozyny jednym końcem ( tzw. głową) mogą oddziaływać z filamentem aktynowym a drugim końcem (ogonem) z innymi elementami komórki, np. błoną komórkową, pęcherzykami wewnątrzkomórkowymi czy innymi filamentami. Dzięki temu mogą przenosić organelle wzdłuż szlaków filamentów aktynowych lub powodować, że przylegające do siebie filamenty ślizgają się jeden po drugim w pęczkach skurczowych. Są więc one odpowiedzialne za zjawiska ruchu zarówno w komórkach nie mięśniowych jak i za skurcze mięśni.

W komórkach znajduje się również olbrzymia ilość innych białek wią­żących się z aktyną. Większość z nich wiąże się raczej z uformowanymi filamentami aktynowymi aniżeli z monomerami aktyny i kontroluje zacho­wanie filamentów. Na przykład, białka wiążące aktynę w pęczki utrzymują filamenty aktynowe razem w równoległych pęczkach w mikrokosmkach; białka wiążące poprzecznie trzymają razem filamenty aktynowe w żelopodobnej sieci w obrębie kory komórki, białka tnące filamenty, jak gelsolina, tną filamenty aktynowe na krótsze fragmenty i w ten sposób zmieniają żel aktynowy w bardziej płynną postać. Filamentom aktynowym mogą także towarzyszyć białka motoryczne tworząc pęczki skurczowe, jak to występuje w mięśniach. Filamenty mogą także służyć jako szlaki, wzdłuż których białka motoryczne transportują organelle; funkcja ta jest szcze­gólnie widoczna w komórkach roślinnych.

 

Pełzanie komórki zależy od aktyny

Wiele komórek porusza się raczej pełzając po powierzchniach niż pływa­jąc z użyciem rzęsek lub wici. Np. ameby pełzają nieustannie w po­szukiwaniu pożywienia, krwinki białe - granulocyty obojętno-chłonne (neutrofile) migrują z krwi do tkanek, gdzie “wyczuwają obecność" małych rozproszonych cząsteczek uwolnionych przez bakterie. Cząsteczki te są w końcu pochłaniane i niszczone przez neutrofile.

Do przemieszczana się komórki niezbędne są trzy współzależne procesy : 1) komórka wysuwa wypustki w kierunku ruchu; 2) wypustki te przywierają do powierzchni, po której komórka pełznie i 3) do takich miejsc zakotwiczenia jest podciąga­na pozostała część komórki, co przesuwa ją naprzód.

Wszystkie te trzy procesy wykorzystują aktynę, ale użyte sposoby są różne. Pierwszy etap — wypychania powierzchni komórki do przodu, jest kierowany przez polimeryzację aktyny. Prowadzący koniec pełzającego fibroblastu w hodowli regularnie wyciąga cienkie, blaszkowate lamellipodia, które zawierają gęstą, przestrzenną sieć filamentów ak­tynowych, zorientowanych w ten sposób, że większość filamentów ma swoje końce plus umiejscowione blisko błony komórkowej. Wiele komó­rek wysuwa także cienkie, sztywne wypustki zwane filopodiami, zarówno na końcu prowadzącym, jak i gdziekolwiek na swojej powierzchni. Te wypustki zawierają luźny pęczek 10-20 filamentów aktynowych, zorientowanych również w ten sposób, że ich końce plus są skierowane na zewnątrz. Zarówno lamellipodia, jak i filopo­dia tworzą się i zani­kają z dużą szybkością.

Kiedy lamellipodia i filopodia dotkną wybranego skrawka powierzchni, przylegają do niego: białka transbłonowe w ich błonie komórkowej, znane jako integryny, przywierają do cząsteczek zawartych w macierzy międzyko­mórkowej lub na powierzchni innej komórki, nad którą poruszająca się ko­mórka przepełza. Aby użyć tego zakotwiczenia do przemieszczenia swojego ciała do przodu, komórka robi teraz użytek z we­wnętrznego skurczu, żeby wywrzeć silę ciągnącą. Te procesy również zależą od aktyny, ale w inny sposób — poprzez interakcję filamen­tów aktynowych z białkami motorycznymi znanymi jako miozyny.

 

Białka motoryczne kierują wewnątrzkomórkowym transportem

W żywej komórce cytoplazma znajduje się w nieustannym ruchu dzięki obecności mikrotubul i filamentów  aktynowych, wzdłuż których przemieszczane są organelle. To przemieszczanie się różnych organelli generowane jest przez białka motoryczne, które wiążą się z filamentami aktynowymi lub mikrotubulami i zużywają energię uzyskaną z hydrolizy ATP. Białka motoryczne łączą się jednocześnie z innymi składnikami ko­mórki i w ten sposób transportują je jako cargo wzdłuż filamentów.

Białka motoryczne, które wędrują wzdłuż cytoplazmatycznych mikrotubul, tworzą dwie rodziny: są to kinezyny, które przemieszczają się w kierunku końca plus mikrotubul (do powierzchni komórki), oraz dyneiny przemieszczające się w kierunku końca minus (w kierunku wnętrza komórki). Zarówno kinezyny, jak i dyneiny mają dwie globularne głowy wią­żące ATP i ogon. Głowy oddziałują na mikrotubule w stereospecyficzny sposób; tak więc np. kinezyna przyłączy się do mikrotubu­li, jedynie jeśli jest ona “skierowana" we właściwym kierunku. Ogon biał­ka motorycznego zazwyczaj wiąże się stabilnie z niektórymi składnikamikomórki, takimi jak np. błoniaste pęcherzyki lub organelle. Kuliste głowy kinezyny i dyneiny są enzymami hydrolizującymi ATP (ATPazami). Ta reakcja dostarcza energii do cyklu zmian konformacyjnych w głowie, co umożliwia jej przesuwanie się wzdłuż mikrotubul poprzez cykl: wiązanie, uwalnianie i ponowne wiązanie z mikrotubulą.

 

Organelle są transportowane wzdłuż mikrotubul

Mikrotubule i towarzyszące im białka motoryczne odgrywają istotną rolę w ustalaniu pozycji obłonionych organelli w obrębie komórki eukariotycznej. Zarówno retikulum endoplazmatyczne, jak i aparat Golgiego są zależne od mikrotubul pod względem swego ustawienia i umiejscowienia. Błony retikulum endoplazmatycznego rozciągają się od miejsca połącze­nia z otoczką jądrową, ustawiając się wzdłuż mikrotubul, które sięgają od centrosomu aż do błony komórkowej. Kiedy komórka dojrzewa i retikulum endoplazmatyczne rozrasta się, kinezyny przycze­pione do zewnętrznej strony błony tego retikulum rozciągają go wzdłuż mikrotubul, napinając jak sieć. Dyneiny przeciągają aparat Golgiego wzdłuż mikrotubul, w przeciwną stronę ku środkowi komórki. W ten spo­sób są stworzone i utrzymywane lokalne różnice w rozmieszczeniu błon wewnętrznych, co warunkuje ich prawidłową funkcję.

Kiedy komórki są poddawane działaniu takich substancji jak kolchicyna, która powoduje demontaż mikrotubul, oba te rodzaje organelli drastycz­nie zmieniają swoje położenie. Retikulum endoplazmatyczne, zapada się do środka komórki, natomiast aparat Golgiego, rozpa­da się na drobne pęcherzyki, ulegające rozproszeniu wewnątrz cytoplazmy. Kiedy lek kolchicyna zostanie usunięta, organelle powracają do swoich pierwotnych pozycji, ciągnięte przez białka motoryczne przemieszczające się wzdłuż na nowo uformowanych mikrotubul. Prawidłowe ulokowanie tych organelli odbywa się za pośrednictwem zawartych w ich błonach białek receptorowych, które wiążą się z białkami motorycznymi — kinezynami dla retikulum endoplazmatycznego i dyneinami dla aparatu Golgiego.

---