МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум консультаций врачей  
Рекомендуем:
Генетика:
Генетика
Аномалии хромосом
Биология клетки
Генетика врожденных пороков
Генетика рака - опухолей
Молекулярная генетика
Наследственные синдромы
Цитогенетика - исследование хромосом
Лечение наследственных болезней
Фармакогенетика
Форум
 

Строение моторных белков микротрубочек

• Для выполнения почти каждой клеточной функции, связанной с микротрубочками, необходимы соответствующие моторные белки

• Молекулярные моторы представляют собой ферменты, которые способны генерировать усилия и совершать «прогулку» по микротрубочке в направлении плюс-или минус-конца

• Домен мотора, называемый «головным», связывается с микротрубочками и генерирует усилия

• «Хвостовой» домен обычно связывается с мембраной или с карго (грузом)

• Кинезины в основном «прогуливаются» по направлению к плюс-концу микротрубочки

• Динеины «прогуливаются» в направлении минус-конца микротрубочки

Одна из основных функций-микротрубочек состоит в том, что они служат внутриклеточными транспортными путями для перемещения материалов из одного места клетки в другое. Транспортные средства, которые перевозят грузы по этим внутриклеточным магистралям, называются молекулярными моторами.

Они представляют собой белки, способные связываться с микротрубочками и многократно использующие циклический процесс гидролиза АТФ в качестве источника энергии для постоянного движения вдоль микротрубочки. Моторные белки доставляют секреторные везикулы к плазматической мембране, обеспечивают транспорт интернализированных везикул в эндосомы, и осуществляют внутриклеточное движение митохондрий и ЭПР. Очень наглядным и красочным примером работы молекулярных моторов является согласованное движение пигментных гранул (небольших везикул, содержащих молекулы пигмента) в клетках чешуек и кожи некоторых видов рыб и амфибий.

В ответ на гормональный стимул или на сигнал со стороны центральной нервной системы, молекулярные моторы попеременно концентрируют эти везикулы в середине клетки или распределяют их по цитоплазме. В результате животное меняет окраску, что выполняет защитную функцию от хищников. Соответствующие примеры представлены на рисунках ниже.

Наряду с обеспечением подвижности ряда внутренних мембран клетки, моторы участвуют в перемещении хромосом в митозе и в позиционировании веретена. Они также обеспечивают движение ресничек и жгутиков, дающее возможность таким специализированным клеткам, как сперматозоиды, перемещаться в жидкой среде, а неподвижным клеткам транспортировать через поверхность различные материалы. Некоторые вирусы используют клеточные моторы для своей транспортировки в ядро; одним из примеров таких вирусов является ВИЧ.

Моторные белки микротрубочек
На фотографии представлена клетка, содержащая тысячи пигментных гранул — мелких частиц, наполненных темным пигментом.
На картинке справа, в светлой области, в виде мелких точек видны отдельные гранулы.
К каждой грануле присоединены моторные белки, двигающиеся в сторону плюс- и минус-концов.
В ответ на появление гормона мелатонина, минус-концевые моторы сдвигают гранулы от периферии вдоль микротрубочки, и пигмент накапливается в центре клетки.
В отсутствие гормона, другие моторы транспортируют гранулы в обратном направлении, и пигмент снова распределяется по всей клетке.

Однако транспортная функция не является единственной для молекулярных моторов. В отличие от транспортных средств, которые лишь перевозят грузы по готовым шоссе, молекулярные моторы также способны изменять форму и расположение транспортной системы микротрубочек, вдоль которых они перемещаются.

Из краткого описания некоторых возможностей молекулярных моторов должно быть очевидно, что они представляют собой обязательный компонент всех эукариотических клеток и играют основополагающую роль во всех процессах, происходящих с участием микротрубочек.

В клетке находятся два семейства молекулярных моторов, которые перемещаются вдоль микротрубочек. Это кинезины, которые обычно направляются к плюс-концам микротрубочек, и динеины, осуществляющие движение в минус-направлении. Наряду с направлением движения мотора, организация сети микротрубочек является источником навигационной информации, необходимой для направления карго к определенному участку клетки.

В случае радиальной структуры сети микротрубочек, характерной для типичного фибробласта, моторы, которые движутся к минус-концу микротрубочек, будут транспортировать карго в центр клетки (например, к ядру или к аппарату Гольджи). В то же время плюс-моторы будут перемещать карго к периферии (например, на плазматическую мембрану).

Движение вдоль структуры полярного полимера в одном направлении является существенной особенностью всех молекулярных моторов, независимо от того, перемещаются они вдоль микротрубочек или актиновых филаментов. В данном случае полярность полимера способствует направленности движения и проявлению навигационных характеристик мотора. Промежуточные филаменты не обладают полярностью, и не обнаружено моторов, использующих их в качестве транспортных путей Карго, которое переносят кинезин и динеин, может также включать сами микротрубочки, и моторные белки часто принимают участие в их организации и реорганизации.

Как показано на рисунке ниже, если микротрубочка закреплена (например, присоединена к центросоме), то мотор может продвигаться вдоль нее и транспортировать карго. Если, наоборот, зафиксирован моторный белок (например, связан с кортикальным слоем клетки), то мотор приводит в движение микротрубочку, помогая реорганизовать всю структуру. При движении микротрубочки для навигационных целей важна ее полярность; в этом случае полярность микротрубочки определяет направление ее собственного движения.

Все молекулярные моторы, в том числе актин-миозиновый, имеют характерную форму, которая позволяет им выполнять свою задачу. Эта форма видна при исследовании выделенных препаратов белковых моторов в электронном микроскопе. Во всех случаях мотор состоит из двух одинаковых больших глобулярных доменов, присоединенных к концу еще одного домена, имеющего форму длинного стержня. Поэтому в целом мотор имеет удлиненную форму (4-100 нм). Многие моторы также имеют на другом конце вторую пару меньших по размеру глобулярных доменов. Большие глобулярные домены содержат сайты связывания полимерных молекул (микротрубочек или актиновых филаментов) и АТФ, и называются «головными» или «моторными» доменами.

Только эти домены участвуют в выработке силы; остальные служат для ее использования внутри клетки в определенных целях. Динеиновые моторы обладают дополнительной «ножкой», которая выглядит как вырост на глобулярном домене. У динеинов с микротрубочками связывается самый кончик этого выроста. На противоположном конце мотора расположен «хвостовой» домен; в этом месте с мотором связывается карго, например везикулы.

Перемещение пигментных гранул
Кадры видеосъемки перемещения пигментных гранул в клетке.
На верхнем кадре пигментные гранулы распределены по клетке. На среднем гранулы агрегированы в центре.
Нижний кадр показывает возвращение гранул к их исходному распределению по клетке.
Видеосъемка показывает, что движение пигментных гранул происходит по линейным траекториям.

Обычно молекула мотора содержит несколько полипептидов различной длины. Основной полипептид представляет собой димер, состоящий из больших полипептидов, и называется тяжелой цепью. Две тяжелые цепи имеют структуру спиралей, которые почти на всем протяжении связаны между собой и образуют центральную стержнеобразную область мотора. Участки, относящиеся к концам спиралей, образуют головной и хвостовой домены. В каждом типе мотора с каждой тяжелой цепью связаны один или два меньших по размеру полипептида, которые называются легкими цепями. Они часто выполняют регуляторные функции.

Кинезиновое семейство молекулярных моторов достаточно велико; в клетках человека содержится около 45 различных кинезиновых моторов. Одно это позволяет предполагать, что они выполняют в клетках разнообразные роли, и некоторые из них являются достаточно высокоспециализированными белками. Более половины кинезинов участвует в транспорте карго в различные компартменты клетки, а остальные функционируют в митозе. В пределах моторного домена кинезины обладают высокой степенью гомологии. Вне этого домена они обнаруживают гораздо большее разнообразие в структуре и часто проявляют существенные различия. По-видимому, эти вариабельные районы способствуют связыванию кинезинов со специфическими карго.

В зависимости от положения моторного домена в тяжелой цепи, семейство кинезинов подразделяется на три группы. У первого из идентифицированных кинезинов моторный домен был расположен поблизости от N-kohцевого участка цепи. Этот «стандартный» кинезин транспортирует везикулы в направлении плюс-конца микротрубочки. У остальных представителей семейства кинезинов моторный домен расположен ближе к С-концевому участку тяжелой цепи. Такое расположение моторного домена характерно для кинезинов, которые осуществляют транспорт к минус-концу микротрубочки. У нескольких кинезинов моторные домены расположены в середине тяжелой цепи (например, у МСАК).

Эти кинезины не участвуют в обеспечении транспортных потребностей клетки, а регулируют динамику микротрубочек, используя энергию гидролиза АТФ для ослабления их концевых структур.

Хвостовые домены некоторых кинезиновых моторов могут ассоциировать друг с другом, образуя биполярные моторы, содержащие четыре головных домена. Как показано на рисунке ниже, наличие моторных доменов, ориентированных в противоположных направлениях, позволяет этим моторам одновременно связываться с двумя микротрубочками, вызывая их перемещение. Такое перемещение микротрубочек относительно друг друга особенно важно в митозе. Оно необходимо для образования как митотического веретена, так и срединного тела — структуры, состоящей из микротрубочек, и играющей существенную роль в цитокинезе.

Очевидно, что моторы этого типа участвуют в перегруппировке микротрубочек цитоскелета, и единственным карго для них служат сами микротрубочки.

По сравнению с кинезиновым семейством моторов, динеиновая группа относительно невелика. В отличие от кинезинов, динеины движутся только в направлении минус-конца микротрубочек. Во всех клетках присутствует единственная цитоплазматическая форма динеина, которая принимает участие в транспорте карго и в митозе. Она представляет собой димер, состоящий из двух одинаковых тяжелых цепей, которые в каждой молекуле динеина образуют два моторных домена. Остальные представители группы динеинов, аксонемные динеины, обнаружены исключительно в жгутиках и ресничках.

В отличие от цитоплазматических динеинов, они являются гетеродимерами или гетеротримерами, состоящими из различных субъединиц тяжелой цепи, и обладают двумя или тремя моторными доменами. Подробнее об аксонемных динеинах и их участии в движении жгутиков и ресничек смотрите отдельную статью на сайте (рекомендуем пользоваться формой поиска на главной странице сайта).

Мотор микротрубочек
Движение мотора или микротрубочки относительно друг друга зависит от того, какой объект зафиксирован.
В клетке возможны оба варианта. При фиксации микротрубочки возможно перемещение везикул,
а закрепление мотора приводит к перегруппировке цитоскелета.
Моторные белки микротрубочек
Строение моторных белков микротрубочек по результатам исследований в электронном микроскопе с использованием метода кругового напыления (вверху).
В нижней части рисунка схематически представлено связывание моторов с микротрубочками.
Каждый мотор состоит из двух или более крупных полипептидов (тяжелых цепей) и нескольких полипептидов меньшего размера (промежуточные и легкие цепи).
Мотор микротрубочек
Некоторые кинезины, соединяясь своими хвостовыми доменами, образуют биполярные моторы с двумя моторными доменами на концах.
Такие моторы способны одновременно присоединяться к двум противоположно ориентированным микротрубочкам и перемещать их.
При этом микротрубочки движутся друг относительно друга.
Направление движений мотора обозначено маленькими стрелками;
большие стрелки показывают направление перемещения микротрубочек.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

- Также рекомендуем "Механизм работы молекулярных моторов (моторных белков)"

Оглавление темы "Микротрубочки клетки":
  1. Механизм полимеризации тубулина в микротрубочки
  2. Динамическая нестабильность микротрубочек
  3. Регуляция динамической нестабильности микротрубочек ГТФ-тубулина
  4. Центр образования микротрубочек (ЦОМТ) - центросома
  5. Динамика микротрубочек в клетке
  6. Значение динамичных микротрубочек для клетки
  7. Роль белков MAP в стабилизации микротрубочек
  8. Строение моторных белков микротрубочек
  9. Механизм работы молекулярных моторов (моторных белков)
  10. Механизм связывания груза (карго) с молекулярным мотором
Медунивер Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в VK Форум консультаций врачей Контакты, реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.