A citoszkeleton. A citoszkeleton, a motorfehérjék, az izom és működésének szabályozása. A citoszkeleton. A citoszkeleton.

Átírás

1 , a motorfehérjék, az izom és működésének szabályozása PTE ÁOK Biofizikai Intézet Ujfalusi Zoltán január-február Eukarióta sejtek dinamikus vázrendszere Három fő filamentum-osztály: 1. Intermedier filamentumok 2. Mikrotubulusok 3. Mikrofilamentumok Szubcelluláris, celluláris szintű mozgások ATP-t (energiát) igényel Intracelluláris mozgások Filamentumok kialakulása és lebomlása (mikrofilamentumok és mikrotubulusok) Motor fehérjék számára biztosítanak pályát retrakció Aktin dús kéreg álláb szubsztrát fokális kontaktusok aktin polimerizáció és álláb kitüremkedés nem polimerizált aktin mozgása álláb további növekedése Az aktin A sejtváz és kontraktilis rendszer három fő összetevőből áll: tubulin fehérjékből felépülő, ~24 nm átmérőjű mikrotubulusokból, aktin fehérjékből, valamint a velük társult proteinekből álló és ~6 nm átmérőjű mikrofilamentumokból, a sejtenként nagyon eltérő minőségű, a sejtekre jellemző, ~10 nm átmérőjű köztes (intermedier) filamentumokból. Alegység: globuláris (G-) aktin MW: 42,3 kda, 375 aminosav, 1 molekula kötött adenozin nukleotid (ATP vagy ADP) Szubdomének (4) 4 3 nukleotid 2 1 1

2 Az aktin Az aktin citoszkeleton A mikrotubulusok Alegység: tubulin MW: ~50 kda, a- és b-tubulin -> heterodimér 1 molekula kötött guanozin nukleotid (GTP vagy GDP); kicserélhető (b), ill. nem kicserélhető (mindig GTP) (a) ~24 nm vastag, üreges 13 párhuzamos protofilamentum építi fel jobbmenetes rövidmenetű helix balmenetes hosszúmenetű helix Merev polimerlánc (perzisztenciahossz: néhány mm!) Szerkezeti polarizáció: +vég: polimerizáció gyors, -vég: polimerizáció lassú GTP-sapka a b Intermedier filamentumok Szövetspecifikus intermedier filamentum típusok Nukleáris laminok A, B, C laminok (65-75kDa) Vimentin típus Vimentin (54kDa) Desmin (53kDa) Peripherin (66kDa) Keratinok I típusú (savanyú) (40-70kDa) II típusú (neutrális/bázikus) (40-70kDa) Neuronális IF neurofilamentum fehérjék (60-130kDa) Fibrózus monomer jellemzi őket (nem globuláris, mint az aktin vagy a tubulin). Az intermedier filamentum alegysége: coiled-coil dimer Intermedier filamentumok polimerizációja A sejtben teljesen polimerizált állapotban (nem dinamikus egyensúly) Centrális rudak (a-hélix) hidrofób-hidrofób kölcsönhatása -> colied-coil dimer 2 dimer -> tetramer (antiparallel elrendezôdés, szerkezeti apolaritás) protofilamentum Tetramerek longitudinális sorozata -> protofilamentum filamentum Vimentin dimer szalagdiagramja 8 protofilamentum -> filamentum 2

3 A motorfehérjék 1. Specifikus citoszkeletális filamentumhoz kapcsolódnak 2. A filamentum mentén elmozdulnak, illetve erőt fejtenek ki 3. ATP-t bontanak Motorfehérjék közös tulajdonságai N 1. Szerkezet N-terminális globuláris fej: - motor domén, nukleotidot köt és hasít C - specifikus kötőhely a megfelelő citoszkeletális polimer számára C-terminálisan: funkcionalitást biztosító kötőhely 2. Mechanika, működés Alapelv: ciklusos működés Motor -> kötődés a polimerhez -> húzás -> disszociáció -> relaxáció 1 mechanikai ciklusban 1 molekula ATP hidrolizálódik. A mechanikai ciklusban elmozdulás (izotóniás viszonyok) vagy erőkifejlődés (izometriás viszonyok) történik. A motorfehérjék típusai A miozin fehérje szupercsalád 1. Aktin-alapú: miozin fehérjecsalád. Konvencionális (miozin II) és nemkonvencionális miozinok Miozin I-XVIII osztályok 2. Mikrotubulus alapú a. Dinein Ciliáris (flagelláris) és citoplazmás dineinek. MW ~500kDa A mikrotubuluson a minusz vég irányába mozognak b. Kinezin Neuronokban, axonális vezikulum transzportért felelősek Kinezin fehérjecsalád: konvencionális kinezinek + izoformák. MW ~110 kda A mikrotubuluson a plusz vég irányába mozognak 3. Nukleinsav alapú DNS és RNS polimerázok A DNS szál mentén mozognak és erőt fejtenek ki Aktin-miozin kapcsolatok Kinezin és Dinein Fej motor domén Filamentumhoz való kapcsolódás (mikrotubulus) dimer ATP-kötő hely Farok Szállítmány ( cargo ) kötő domén Központi összekötő domén A dinein húzási ciklusa. A motorfehérje két szomszédos mikrotubulushoz kötődik, és így a két mikrotubulus relatív elmozdulását hozza létre (axonemal dinein). Egy rugalmas összekötő fehérje, a nexin, a relatív elmozdulást elhajlásba, görbülésbe viszi át. A miozin az aktin plusz vége felé mozog. 3

4 Erő Miért van szükség molekuláris motorokra? A harántcsíkolt izom szerkezete, az izomműködés és szabályozás molekuláris alapjai endocytosis exocytosis transzport Kromoszómák pozícionálása sejtosztódásnál Vezikula transzport a citoplazmába/n (élelem bekebelezése, salakanyagok kiürítése, fehérjék szállítása) Az izom citoszkeletális filamentumok és motorfehérjék rendezett összeszerveződéséből álló szövet, amely kémiai energiát nagy hatásfokkal alakít át mechanikai munkává. Vázizom (harántcsíkolt) Szívizom Simaizom Több 10 cm hosszú, μm vastag Multinukleáris (syncitiumok) Harántcsíkolat Izomtípusok 100 µm hosszú, 10 µm vastag Mononukleáris miociták hálózata Funkcionális syncitium Harántcsíkolat μm, 2-10 μm vastag Mononukleáris orsó alakú sejtek Nincsenek miofibrillumok, csak miofilamentumok nincs harántcsíkolat Akaratlagos Nem akaratlagos Nem akaratlagos A harántcsíkolt izom felépítése Harántcsíkolt izom Izomrost köteg Miofilamentumok Izomrost Miofibrillum Vastag filamentumok Vékony filamentumok Szarkomer Szarkomer A harántcsíkolt izom szerkezeti és működési egysége. A harántcsíkolt izom működése Izomkontrakció Elektromos impulzussal ingerelünk egy izomköteget Összehúzódás, elernyedés Izomrángás Inkomplett tetanusz Komplett tetanusz Elektronmikroszkópos felvétel Idő (ms) Periodikus ingerlés 4

5 Izometriás kontrakció Izotóniás kontrakció Izom hossza állandó Erő állandó Az izom addig húzódik össze, amíg a súllyal megegyező erőt nem fejt ki. Erő tetanusz G erő + - rángás hossz Idő G Idő Csúszófilamentum elmélet Nyugalmi Szarkomer A-csík változatlan, míg az I-csík rövidül Nem változik sem az aktin, sem a miozin filamentumok hossza Z-lemez H-zóna I-csík A-vonal Z-lemez H.E. Huxley és A.F. Huxley egymástól függetlenül állították fel a csúszó filamentum elméletet: az aktin és miozin elcsúszik egymáson (A.F. Huxley and Niedergerke (1954), H.E. Huxley and Hanson (1954)) Legjobb bizonyíték a hossz-feszülés viszony, minél nagyobb az átfedés, annál H-zóna rövidül I-csík rövidül A-vonal változatlan nagyobb feszülés Az elcsúszást a filamentumok közötti kereszthidak elmozdulása okozza A kontrakciót a SR-ból felszabaduló Ca 2+ ionok indítják be Kontrahált Rövidült szarkomer Vastag filamentum Vékony filamentum A harántcsíkolt izom teljesítménye Izomteljesítmény: Mi szabályozza az izmok működését? P=F*v Max. kifejtett erő (1,7pN/1 miozin kereszthíd): Aktin-miozin közötti kémiai kötések energiája szab határt Max. sebesség( 6000nm/s): ATP elhasítási sebesség max. értékével függ össze Váz és szívizomban: Simaizomban: 1. Tropomiozin 2. Troponin komplex 3. Ca 2+ A könnyű lánc foszforilációja A vázizom erő-sebesség diagramja Max. teljesítmény: A sebesség 1/3-nál Kagylóizomban: Az izom a befektetett kémiai energiát több, mint 50%-os hatékonysággal hasznosítja! Kálcium kötődése a miozinhoz 5

6 Tropomiozin A troponin komplex Minden 7 aktin monomerből és egy tropomiozinból álló fehérjekomplexhez egy troponin komplex kapcsolódik. Troponin T - MW 37 kda a tropomiozinhoz és a többi troponin fehérjéhez kötődik, stabilizálja a fehérjerendszert. A tropomiozin két molekula egymásba csavarodásával kialakuló coiled-coil dimer, mely 7 aktin protomerrel van kölcsönhatásban. A tandem módon elhelyezkedő tropomiozin dimerek a teljes aktin filamentumon végighúzódnak. Troponin I - MW 22 kda részt vesz az akto-miozin kölcsönhatás meggátolásában. Troponin C- MW 18 kda Kálcium hatására a szerkezetében bekövetkező konformációs változás az izom szabályozásának a kulcslépése. A troponin komplex nagy része a tropomiozin dimer közepén helyezkedik el. Az izomműködés szabályozása Az izom aktiválásához szabad kálciumionra van szükség. Idegi szabályozásra a szarkoplazmatikus retikulumból felszabaduló kálcium a citoplazma [Ca 2+ ]-t 1 μm felé emeli. 1. TnC Ca-t köt 2. Konformációváltozás a TnC egységben 3. TnC affinitása nő a TnI-hez 4. A TnI leválik az aktinról 5. Tropomiozin elmozdul, ezért már nem fedi le a miozinkötő helyet 6. Be tud kötni a miozin A szabályozás további lépései Rigor állapot +ATP -Ca 2+ Nyugalmi állapot + Ca 2+ Aktivált állapot, gyenge kölcsönhatás Leválik P i Aktivált állapot, erőgenerálás ADP leválik Rigor állapot Köszönöm a figyelmet! 6