A citoszkeletális rendszer, a harántcsíkolt izom biofizikája.

Átírás

1 A citoszkeletális rendszer, a harántcsíkolt izom biofizikája. SCIENCE PHOTO LIBRARY Kupi Tünde Citoszkeleton: eukarióta sejtek dinamikus fehérjevázrendszere Három fı filamentum-osztály: A. Intermedier B. Mikrotubulus C. Mikrofilamentum 20 µm citokeratin (PANC1) alfa-tubulin (HeLa) aktin (endothel sejtek) Abcam plc, 332 Science Park, Cambridge CB4 0WN, United Kingdom Donald E. Ingber, The Architecture of Life Scientific American, Jan Szerep: 1. mozgás, alakváltozás, 2. sejtosztódás, 3. intracelluláris transzport 1

2 Polimerizáció a polimer képzıdésének idıbeli folyamata, monomerek egymáshoz kapcsolódása polimer-mennyiség steady-state lag elongáció A polimerizáció fázisai: 1. Lag fázis: nukleáció 2. Növekedési fázis 3. Dinamikus egyensúly idı Valódi equilibrium: Polimerizációs egyensúlyok Tread-milling (taposómalom): aktin Dinamikus instabilitás: mikrotubulusok 2

3 Mikrofilamentum rendszer (aktin) Aktin monomer: nukleotid 4 2 Globuláris (G-) aktin : MW: 42,3 kda, 375 aminosav 3 1 Nukleotidot (ATP, ADP) köt Kétértékő kationt köt (Ca 2+, Mg 2+ ) 2 domén, 4 szubdomén Aktin polimer: 37 nm Filamentális (F-) aktin: Legnagyobb mennyiségben elıforduló fehérje az eukarióta sejtben (~ 5%) ~7 nm vastag, hossza in vitro több 10 µm, in vivo 1-2 µm Jobbmenetes dupla helix Szemiflexibilis polimerlánc (perzisztenciahossz: ~10 µm) Szerkezeti polarizáció: miozin fejjel alkotott komplexe szögesdrót alakja alapján: szöges vég: "barbed end (+ vég) polimerizáció gyors hegyes vég: "pointed end (- vég) polimerizáció lassú Motorfehérjéi: miozinok 3

4 Tubulin monomer: Mikrotubuláris rendszer α β MW: ~50 kda, idegszövetben az összfehérje 10-20%-a α- és β-tubulin alkot heterodimért GTP vagy GDP nukleotidot köt kicserélhetı (β), ill. nem kicserélhetı (α) Polimer: mikrotubulus ~25 nm-es átmérı, üreges csı, 13 protofilamentum jobbmenetes rövidmenetû helix, balmenetes hosszúmenetû helix Merev polimerlánc (perzisztenciahossz: néhány mm!) Szerkezeti polarizáció: + vég: polimerizáció gyors, - vég: polimerizáció lassú Motorfehérjéi: dinein, kinezin, dinamin 4

5 Sejtosztódás Wadsworth Center's Featured Image - Archives Intermedier filamentális rendszer Az intermedier filamentum alegysége: coiled-coil dimer N-terminális fej, centrális rúd (α-helix), C-terminális farok hidrofób aminosavak heptád ismétlıdése a centrális rúdban Vimentin dimer szalagdiagramja 5

6 Intermedier filamentumok A sejtben teljesen polimerizált állapotban találhatók (nincs polimerizációs-depolimerizációs dinamizmus) Centrális rudak hidrofób-hidrofób kölcsönhatása: coiled-coil dimer 2 dimer antiparallel elrendezıdése: tetramer (szerkezeti apolaritás) protofilamentum Tetramerek longitudinális sorozata: protofilamentum 8 protofilamentum: filamentum, 8-10 nm-es átmérı filamentum Citoszkeletonhoz asszociált fehérjék Különbözı funkciójú fehérjék nagy csoportja, melyek a citoszkeletális rendszer egyes filamentumaihoz specifikusan kapcsolódnak Csoportosítás: A. Filamentális rendszer szerint 1. Aktin-asszociált (pl. miozin) 2. MT-asszociált (pl. tau) 3. IF-asszociált (pl. plektin) B. Kapcsolódás geometriája szerint 1. Véghez kapcsolódó ( capping, pl. gelsolin) 2. Oldalról kapcsolódó (pl. tropomiozin) C. Funkció szerint 1. Keresztkötı a. Gélformáló (pl. filamin, spektrin) b. Kötegformáló (pl. α-aktinin, fimbrin, villin) 2. Polimerizációt befolyásoló a. Depolimerizáló ( severing, pl. gelsolin) b. Stabilizáló (pl. profilin, tropomiozin) 3. Motorfehérjék 6

7 Motorfehérjék 1. Specifikus citoszkeletális filamentumhoz kapcsolódnak 2. A filamentum mentén elmozdulnak, illetve erôt fejtenek ki 3. ATP-t/ GTP-t bontanak A motorfehérjék típusai 1. Aktin-alapú motorok: miozin fehérjecsalád. Konvencionális (miozin II) és nemkonvencionális miozinok Miozin I-XVIII osztályok 2. Mikrotubulus alapú motorok a. Dinein Ciliáris (flagelláris) és citoplazmás dineinek. A mikrotubuluson a minusz vég irányába mozognak b. Kinezin Neuronokban, axonális vezikulum transzportért felelôsek Kinezin fehérjecsalád: konvencionális kinezinek + izoformák. A mikrotubuluson a plusz vég irányába mozognak c. Dinamin GTP-áz aktivitás, vezikulumok lefőzésében van szerepük 3. Nukleinsav alapú motorok DNS és RNS polimerázok A DNS szál mentén mozognak és erôt fejtenek ki 4. Rotációs motorok Forgómozgást hoznak létre /pl.: F1F0 ATP-szintáz, bakteriális flagellum motor/ 7

8 A motorfehérje munkaciklusa ATP hidrolízis ciklus munkacsapás δ = munkatávolság Kapcsolt τ on kapcsolás szétkapcsolás Szétkapcsolt τ off visszacsapás Munka arány: τ r = on = τ on τ on +τ off τ total In vitro csúszási sebesség: v = δ τ on Kapcsolt idô: τ on = δ v Ciklusidô: τ total = 1 V δ=munka- vagy lépéstávolság; V=ATPáz sebesség; v=motilitási sebesség Munkaciklus arány: r = δv v Processzív motor: r~1 pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban Nonprocesszív motor: r~0 pl. miozin munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban sokaság mûködik együtt Egyetlen motorfehérje által kifejtett erô: néhány pn. 8

9 Az izomszövet három típusa Izom: mozgásra, mozgatásra specializálódott sejt illetve szövet. Típusok: 1. harántcsíkolt izom: vázizomban, akaratlagos mozgásért felelıs, több cm hosszú sejt is lehet, multinukleáris 2. szívizom: szívben, mononukleáris 3. simaizom: zsigerekben, nem akaratlagos mozgásért felelıs, orsó alakú mononukleáris sejt A harántcsíkolt izom felépítése: izom rost-köteg rost miofibrillum miofilamentumok: vastag-, vékony- és "harmadik filamentális rendszer" (titin) A miofilamentumok a szarkomerben, az izommőködés legkisebb önálló egységében találhatók. 9

10 Miofibrillum: A három filamentum modell Z Z szarkomer A-sáv I-sáv M-vonal Z-lemez titin vastag filamentum vékony filamentum Mi szabályozza az izmok mőködését? Váz és szívizom: Troponin komplex (C, T, I), tropomiozin és kálcium. Simaizom: a könnyőlánc foszforilációja. Kagyló izom: kálcium kötıdése a miozinhoz. 10

11 Tropomiozin A tropomiozin két molekula egymásba csavarodásával kialakuló coiled-coil dimer, mely 7 aktin protomerrel van kölcsönhatásban. A tandem módon elhelyezkedı tropomiozin dimerek a teljes aktin filamentumon végighúzódnak. A troponin komplex Minden 7 aktin monomerbıl és egy tropomiozinból álló fehérjekomplexhez egy troponin komplex kapcsolódik: Troponin T - (MW 37 kda) a tropomiozinhoz és a többi troponin fehérjéhez kötıdik, stabilizálja a fehérjerendszert. Troponin I - (MW 22 kda) gátolja az akto-miozin kölcsönhatást. Troponin C- (MW 18 kda) Kálcium hatására a szerkezetében bekövetkezı konformációs változás az izom szabályozásának a kulcslépése. 11

12 Kapcsolat az aktin, miozin és tropomiozin között: az izommőködés alapja Köszönöm a figyelmet! 12