13.1

13. mikrofilamenta, intermediární filamenta – struktura, funkce

Mikrofilamenta – součástí všech eukaryontních buněk. Vytvářejí v cytoplazmě souvislou síť, ěkterá jsou však soustředěna do odlišitelných struktur, např. stresová vlákna u poohybujících se buněk, kontraktilní prstenec u dělících se buněk, mikrovili, čelo motilní buňky.

Bílkoviny – základní bílkovinou mikrofilament je aktin, u nesvalových buněk se označuje jako nesvalový aktin (jsou odlišné). Molekula aktinu je globulární (tzv. G-aktin). Globulární konformace je udržována pevně vázanými Ca²⁺ ionty. Každá molekula má jedno vazebné místo pro ATP. živočišné buňky obsahují nejméně 7 typů aktinu (izoaktinů). Aktin je velmi konzervativní protein. Aktin se vyskytuje ve třech isoformách – α (kontraktilní aparát svaloviny), β a γ (α a β svalové, γ a β nesvalové). Buněčná topografie, dynamická rovnováha.

Asociované proteiny – nesvalový myozin (jako aktinem aktivovaná ATPáza uvolňuje energii nutnou pro pohyb), filamin + α-aktinin (tvoří příčné spojky mezi aktinovými mikrofilamenty), fimbrin (váže miktofilamenta do paralelních svazků), profilin (váže se na nepolymerovaný aktin, čímž omezuje tvorbu mikrofilament), villin + gelsolin (proteiny závislé na Ca²⁺, které fragmentují F-aktin, ale také indukují jeho tvorbu), čepičkový protein (váže se na konce mikrofilament, čímž zabraňuje další polymeraci aktinu), Arp + thymosin (tvoří nukleační centra filament), spektrin (kotví filamenta v membráně), CapZ (stabilizují konce filament).

Struktura – molekuly aktinu mají schopnost se nekovalentními interakcemi spojovat (polymerovat) v řetízky, tzv. F-aktin (fibrilární). Každé mikrofilamentum je tvořeno dvěma okolo sebe obtočenými řetízky. Tloušťka tohoto komplexu je 7nm, délka je různá). Uložení mikrofilament v buňce lze nejspolehlivěji zjistit nepřímou imunofluorescencí antiaktinovými protilátkami. Všechny globulární molekuly aktinu směřují ve vláknu stejným směrem podél osy vlákna. To vytváří v aktinových vláknech polaritu a tedy rozlišitelný + (ostnatý) a – (ostrý) konec, nukleace.

Treadmilling – na – konci se odštěpuje ADP-aktin (na kterém je ADF – aktin depolymerizující faktor). Další ADP-aktin je přiveden a pomocí ATP převeden na ATP-aktin a profilinem naveden na + konec, kde se nasazuje a prodlužuje mikrofilamentum.

Morfogeneze – izolovaný aktin, podobně jako tubulin, samovolně polymerizuje v mikrofilamenta. V buňce je hotovost G-aktinu, který může být velmi rychle zpolymerizován v mikrofilamenta nebo naopak dezagregován v G-aktin. Regulační roli zde mají asociované proteiny. Např. profilin brání polymeraci, vinkulin a gelsolin naopak fragmentují mikrofilamenta na kratší vlákna, fimbrin, filamin a α-aktinin stabilizují uspořádání mikrofilament ve složitějších strukturách.

Funkce – pro studium funkce mikrofilament se používají látky, které specificky blokují polymeraci aktinu. Nejznámější jsou cytochalaziny, které zabraňují polymeraci a faloidin, který mikrofilamenta stabilizuje. Po jejich aplikaci ustávají všechny pohyby uvnitř buňky a její lokomoce, zastavuje se i cytokineze. Z toho vyplývá, že převod chemické energie v pohybovou je realizován převážně systémem aktinových mikrofilament. Mikrofilamenta mají funkci strukturní a kinetickou. Mikrofilamenta navzájem příčně „svázaná“ určitými asociovanými proteiny (fimbrinem) jsou strukturálním základem některých výběžků buňky (mikroklky epiteliálních buněk). Mikrofilament jsou též strukturním základem světločivných výběžků tyčinek a stereocilií vláskových buněk v kochleárním epitelu, vláknitých výběžků vazivových buněk. Mikrofilamenta jsou základem struktur, které mají vysloveně pohybové funkce. V těchto strukturách jsou vždy asociovány s myozinem. Patří sem kontraktilní prstenec, který způsobuje zaškrcení cytoplazmy při dělení buňky a tzv. stresová vlákna. Obsahují asociované proteiny (myozin, α-aktinin a tropomyozin), představují tedy jakési miniaturní cytoplazmatické „svaly“. Stresová vlákna přispívají k pohybu některých buněk po podložce. U buněk schopných lokomoce jsou mikrofilamenta uložena poblíž plazmatické membrány. Tvorba a pohyb lokomočních výběžků (pseudopodií či lamellipodií) je podmíněna uspořádáním mikrofilament do určitých struktur a kontrakcí těchto struktur. Jsou vždy připojena na plazmatickou membránu. U mechanismu kontrakce jde o teleskopické zasouvání tenkých vláken (tvořených převážně aktinem) mezi silná vlákna tvořená myozinem (směrem k + konci). Zdrojem energie pro posun vláken navzájem je ATP hydrolyzovaná myozinem. Myozin je tedy aktinem aktivovaná ATPáza.

Patologické stavy – nádorová onemocnění, imunodeficience, myopatie, vaskulopatie, infekční onemocnění (listerie, shigella, virus vakcinie, salmonela mykobacterium).

Toxiny – cytochalaziny (anti polymerační na + konci), falotoxiny (faloidin – stabilizace), lantrukulin (zabraňuje polymeraci), swinholid (fragmentuje).

            Intermediární filamenta – součástí všech živočišných buněk. Jejich síť je méně dynamická, jsou spíše strukturou stálou. Odpovídají pojmu cytoskeletu v užším smyslu slova, tj. představě jakési buněčné kostry. Jejich proteiny jsou tvořeny rodinou asi 65 genů. Non-ekvivalence v primární struktuře. Tvoří dva systémy (cytoplazmatický a nukleární). 5 hlavních typů (sekvenční homologie).

Bílkoviny – nejsou tvořena jedním „univerzálním“ proteinem. Různě diferencované živočišné buňky mají proteiny různé, mají tedy různé typy intermediárních filament, buď pouze jeden z nich nebo i současně více. Molekuly proteinů intermeduárních filament jsou vždy fibrilární (tubulin i aktin je globulární). Jejich sekundární struktura je vždy velmi podobná. Střed molekuly má α-helikální uspořádání. V těchto místech se mnohokrát opakují stejné sekvence aminokyselin. Konce molekuly jsou jak sekvencí aminokyselin, tak sekundární strukturou velmi variabilní. Geny kódující proteiny intermediárních filament jsou v haploidním genomu přítomny pouze v jedné kopii (s výjimkou cytokeratinů). Nacházíme zde i několik asociovaných proteinů. Filagrin – univerzální, synemin je asociován s desminem a plectin s vimentinem.

            Keratinová filamenta – různé cytokeratiny (epiteliální buňky), I. a II. typ

           Neurofilamenta – neurofilamin (trimer s podjednotkami) (neurony) IV. typ

           Vimentinová filamenta – vimentin (fibroblasty aj.), vimentin + gliový kyselý protein (gliové buňky aj.), vimentin + desmin (svalové buňky). III. typ.

           Laminy – lamina fibrosa buněčných jader. V. typ.

Struktura – strukturní jednotkou je trimer nebo tetramer, v němž jsou polypeptidové řetězce navzájem obtočeny v místech, kde má molekula α-helikální strukturu. Tyto trimery se k sob přikládají neperiodicky. Toto uspořádání dává intermediárním filamentům velkou mechanickou pevnost.

Funkce – intermediární filamenta vytváří v buňce hustou síť. Tato je zvlášť hustá v místech, která jsou vystavena velkým mechanickým tlakům. Dodávají např. mechanickou pevnost výběžkům nervových buněk. Intermediární filamenta (keratinová) jsou soustředěna v místech desmosomů, které spojují buňky navzájem. Přecházejí též z jedné buňky do druhé, čímž mechanicky zpevňují tkáň. Podílejí se na determinaci tvaru buňky, na lokalizaci některých organel v buňce (ribosomů, jádra) a plní funkci jakéhosi integrátora ostatních cytoskeletálních elementů jak z hlediska prostorového uspořádání, tak z hlediska aktivity. Přímou motilní aktivitu nemají. Skutečnost, že různě diferencované buňky (epiteliální, mezenchymální, gliové atd.) mají intermediární filamenta tvořena jinými proteiny, lze využít k diagnostice tkáňového původu nádorů. Používá se nepřímé imunofluorescence protilátkami proti různým bílkovinám intermediárních filament.

Vlastnosti – nepolární, tvoří homo i heteropolymery, biochemické a nanomechanické vlastnosti (pevnost v tahu, elasticita, fragilita)

Distribuce – mezibuněčné spoje, cytoplazma, jádro, tkáně

Patologie – epidermolysis bulosa simplex (onemocnění pojivové tkáně – puchýře), laminopatie, svalové dystrofie a myopatie, Alexandrova choroba (porucha tvorby myelinu).