Беговая дорожка
В молекулярной биологии « беговая дорожка» — явление, наблюдаемое в нитях цитоскелета белковых многих клеток , особенно в актиновых нитях и микротрубочках . Это происходит, когда один конец нити увеличивается в длину, а другой конец сжимается, в результате чего часть нити кажется «движущейся» через слой или цитозоль . Это происходит из-за постоянного удаления белковых субъединиц из этих нитей на одном конце нити, в то время как белковые субъединицы постоянно добавляются на другом конце. [ 1 ] Беговую дорожку открыл Вегнер. [ 2 ] который определил термодинамические и кинетические ограничения. Вегнер признал, что: « Константа равновесия (K) ассоциации мономера с полимером одинакова на обоих концах, поскольку добавление мономера к каждому концу приводит к одному и тому же полимеру»; простой обратимый полимер не может работать на беговой дорожке; гидролиз АТФ Требуется . GTP гидролизуется для беговой дорожки микротрубочек.
Подробный процесс
[ редактировать ]Динамика нити
[ редактировать ]Цитоскелет . является высокодинамической частью клетки, и нити цитоскелета постоянно растут и сжимаются за счет добавления и удаления субъединиц Направленное ползучее движение клеток, таких как макрофаги, основано на направленном росте актиновых нитей на передней части клетки ( переднем крае ).
Микрофиламенты
[ редактировать ]Два конца актиновой нити различаются по динамике добавления и удаления субъединиц. Таким образом, их называют плюсовым концом (с более быстрой динамикой, также называемым зазубренным концом) и минусовым концом (с более медленной динамикой, также называемым заостренным концом). [ 3 ] Это различие возникает из-за того, что добавление субъединиц на минус-конце требует конформационного изменения субъединиц. [ 4 ] Обратите внимание, что каждая субъединица структурно полярна и должна прикрепляться к нити в определенной ориентации. [ 5 ] Как следствие, актиновые нити также структурно полярны.
Удлинение актиновой нити происходит, когда свободный актин (G-актин), связанный с АТФ, связывается с нитью. В физиологических условиях G-актину легче связываться с положительным концом нити, а труднее — с отрицательным. [ 6 ] Однако можно удлинить нить с любого конца. Ассоциация G-актина с F-актином регулируется критической концентрацией, указанной ниже. Полимеризация актина может дополнительно регулироваться профилином и кофилином . [ 6 ] Кофилин действует, связываясь с АДФ-актином на отрицательном конце нити, дестабилизируя ее и вызывая деполимеризацию. Профилин индуцирует связывание АТФ с G-актином, так что его можно включить на положительный конец нити.
Микротрубочки
[ редактировать ]Существуют две основные теории движения микротрубочек внутри клетки: динамическая нестабильность и беговая дорожка. [ 7 ] Динамическая нестабильность возникает, когда микротрубочка собирается и разбирается только на одном конце, тогда как беговая дорожка возникает, когда один конец полимеризуется, а другой конец разбирается.
Критическая концентрация
[ редактировать ]Критическая концентрация — это концентрация либо G-актина (актина), либо комплекса альфа, бета-тубулина (микротрубочек), при которой конец остается в равновесном состоянии без общего роста или сокращения. [ 6 ] То, что определяет, будут ли концы расти или сжиматься, полностью зависит от цитозольной концентрации доступных субъединиц мономера в окружающей области. [ 8 ] Критическая концентрация отличается от плюсовой (C C + ) и минус-конец (C C − ), и в нормальных физиологических условиях критическая концентрация на плюсовом конце ниже, чем на минусовом. Примеры того, как цитозольная концентрация связана с критической концентрацией и полимеризацией, следующие:
- Цитозольная концентрация субъединиц выше C C + и С С − концы приводят к добавлению субъединиц на обоих концах
- Цитозольная концентрация субъединиц ниже C C + и С С − концов приводит к удалению субъединицы на обоих концах
Обратите внимание, что цитозольная концентрация мономерной субъединицы между C C + и С С − Концы — это то, что определяется как беговая дорожка, при которой наблюдается рост на плюсовом конце и сокращение на минусовом конце.
Клетка пытается поддерживать концентрацию субъединиц между константами диссоциации на плюсовом и минусовом концах полимера.
Беговая дорожка с микротрубочками
[ редактировать ]Микротрубочки, образованные из чистого тубулина, подвергаются поглощению и потере субъединиц на концах как за счет случайной обменной диффузии, так и за счет направленного (бегущей дорожки) элемента. [ 9 ] . Беговая дорожка неэффективна, а для микротрубочек в устойчивом состоянии: значение s Вегнера 1 (обратная величина числа молекулярных событий, необходимых для чистого поглощения субъединицы) равна 0,0005–0,001; т. е. требуется > 1000 событий. [ 10 ] Тредмиллинг микротрубочек с чистым тубулином также происходит при растущих микротрубочках. [ 11 ] и усиливается белками, которые связываются с концами 11 . В клетках происходит быстрая беговая дорожка. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
Беговая дорожка FtsZ
Бактериальный гомолог тубулина FtsZ является одним из наиболее изученных полимеров для беговой дорожки. FtsZ собирается в протофиламенты толщиной в одну субъединицу, которые в дальнейшем могут объединяться в небольшие участки параллельных протофиламентов. Отдельные нити и/или пластыри были продемонстрированы на беговой дорожке in vitro. [ 15 ] [ 16 ] и внутри бактериальных клеток. [ 17 ] [ 18 ] Была разработана модель беговой дорожки FtsZ Монте-Карло, основанная на конформационном изменении субъединиц при полимеризации и гидролизе GTP. [ 19 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Брюс Альбертс, Деннис Брэй, Джулиан Льюис: Молекулярная биология клетки , 4-е издание, Тейлор и Фрэнсис, 2002, стр. 1-11. 909-920, ISBN 0-8153-4072-9
- ^ Вегнер, А. (ноябрь 1976 г.). «Полимеризация актина голова к хвосту». Дж Мол Биол . 108 (1): 139–150. дои : 10.1016/S0022-2836(76)80100-3 . ПМИД 1003481 .
- ^ Брюс Альбертс (2008). Молекулярная биология клетки . Гирляндная наука. ISBN 978-0-8153-4105-5 . Проверено 4 февраля 2012 г.
- ^ Альбертс, Б; Джонсон, А; Льюис, Дж; и др. (2002). Самосборка и динамическая структура цитоскелетных филаментов . Гирляндная наука . Проверено 19 октября 2015 г.
- ^ Гарде, А; Бретон, М; Труньян, Дж; Хвецофф, С (2007). «Роль актина в поляризованном высвобождении ротавируса» . Журнал вирусологии . 81 (9): 4892–4. дои : 10.1128/JVI.02698-06 . ПМК 1900189 . ПМИД 17301135 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ремедиос, К.Г. Дос; Чабра, Д.; Кекич, М.; Дедова, ИВ; Цубакихара, М.; Берри, округ Колумбия; Носуорси, Нью-Джерси (1 апреля 2003 г.). «Актин-связывающие белки: регуляция цитоскелетных микрофиламентов». Физиологические обзоры . 83 (2): 433–473. doi : 10.1152/physrev.00026.2002 . ISSN 0031-9333 . ПМИД 12663865 .
- ^ Родионов Владимир Иванович; Борисы, Гэри Г. (10 января 1997 г.). «Беговая дорожка с микротрубочками в естественных условиях». Наука . 275 (5297): 215–218. дои : 10.1126/science.275.5297.215 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 8985015 . S2CID 40372738 .
- ^ Шаус, Т.Э.; Тейлор, EW; Борисы, Г.Г. (2007). «Самоорганизация ориентации актиновых нитей в модели дендритного зародышеобразования / беговой дорожки массива» . Труды Национальной академии наук . 104 (17): 7086–7091. Бибкод : 2007PNAS..104.7086S . дои : 10.1073/pnas.0701943104 . ПМК 1855413 . ПМИД 17440042 .
- ^ Зееберг, Б; Рид, Р.; Кэплоу, М. (октябрь 1980 г.). «Включение радиоактивного тубулина в микротрубочки в устойчивом состоянии. Экспериментальный и теоретический анализ диффузионного и направленного потока» . J Биол Хим . 255 (20): 9891–9899. дои : 10.1016/S0021-9258(18)43476-X . ПМИД 7000766 .
- ^ Каплоу, М; Лэнгфорд, генеральный менеджер; Зееберг, Б. (июль 1982 г.). «Эффективность феномена беговой дорожки с микротрубочками» . J Биол Хим . 257 : 15012–15021. дои : 10.1016/S0021-9258(18)33385-4 .
- ^ Арпаг, Г; Лоуренс, Э.Дж.; Фармер, виджей; Холл, СЛ; Заник, М. (июнь 2020 г.). «Коллективные эффекты XMAP215, EB1, CLASP2 и MCAK приводят к устойчивой беговой дорожке микротрубочек» . Proc Natl Acad Sci США . 117 (23): 66–78. Бибкод : 2020PNAS..11712847A . дои : 10.1073/pnas.2003191117 . ПМЦ 7293651 . ПМИД 32457163 .
- ^ Грего, С; Кантильяна, В; Салмон, Эд (июль 2001 г.). «Беговая дорожка микротрубочек in vitro, исследованная с помощью флуоресцентной спекл- и конфокальной микроскопии» . Биофиз Дж . 81 (1): 66–78. Бибкод : 2001BpJ....81...66G . дои : 10.1016/S0006-3495(01)75680-9 . ПМК 1301492 . ПМИД 11423395 .
- ^ Хотани, Х; Хорио, Т. (ноябрь 1985 г.). «Динамика микротрубочек, визуализируемая с помощью темнопольной микроскопии: беговая дорожка и динамическая нестабильность». J Клеточная Биол . 101 : 1637–1642.
- ^ Ротвелл, Юго-Запад; Грассер, Вашингтон; Мерфи, Д.Б. (ноябрь 1985 г.). «Прямое наблюдение беговой дорожки микротрубочек с помощью электронной микроскопии» . J Клеточная Биол . 101 (5, ч. 1): 1637–1642. дои : 10.1083/jcb.101.5.1637 . ПМК 2113982 . ПМИД 4055889 .
- ^ Свободный, Мартин; Митчисон, Тимоти Дж. (08 декабря 2013 г.). «Белки деления бактериальных клеток FtsA и FtsZ самоорганизуются в динамические структуры цитоскелета» . Природная клеточная биология . 16 (1): 38–46. дои : 10.1038/ncb2885 . ISSN 1465-7392 . ПМК 4019675 . ПМИД 24316672 .
- ^ Рамирес-Диас, Диего А.; Гарсия-Сориано, Даниэла А.; Расо, Ханна; Мюкш, Йонас; Фейнгольд, Марио; Ривас, Герман; Швилле, Петра (18 мая 2018 г.). «Анализ беговой дорожки открывает новое понимание динамической кольцевой архитектуры FtsZ» . ПЛОС Биология . 16 (5): e2004845. doi : 10.1371/journal.pbio.2004845 . ISSN 1545-7885 . ПМК 5979038 . ПМИД 29775478 .
- ^ Биссон-Фильо, AW; и др. (2017). «Беговая дорожка с помощью нитей FtsZ стимулирует синтез пептидогликана и деление бактериальных клеток» . Наука . 355 (6326): 739–743. Бибкод : 2017Sci...355..739B . дои : 10.1126/science.aak9973 . ПМЦ 5485650 . ПМИД 28209898 .
- ^ Ян, X.; и др. (2017). «Трегуляция бактериального тубулина FtsZ, связанная с активностью ГТФазы, организует синтез клеточной стенки перегородки» . Наука . 355 (6326): 744–747. Бибкод : 2017Sci...355..744Y . дои : 10.1126/science.aak9995 . ПМЦ 5851775 . ПМИД 28209899 .
- ^ Корбин, Лорен С.; Эриксон, Гарольд П. (2020). «Единая модель беговой дорожки и зарождения одноцепочечных протофиламентов FtsZ» . Биофизический журнал . 119 (4): 792–805. Бибкод : 2020BpJ...119..792C . дои : 10.1016/j.bpj.2020.05.041 . ISSN 0006-3495 . ПМЦ 7451871 . ПМИД 32763138 .