A citoszkeletális rendszer, a harántcsíkolt izom biofizikája.
SCIENCE PHOTO LIBRARY
Kupi Tünde 2010. 10. 19.
Citoszkeleton: eukarióta sejtek dinamikus fehérjevázrendszere Három fı filamentum-osztály: A. Intermedier
B. Mikrotubulus
C. Mikrofilamentum
20 µm
citokeratin (PANC1)
alfa-tubulin (HeLa) Abcam plc, 332 Science Park, Cambridge CB4 0WN, United Kingdom
aktin (endothel sejtek) Donald E. Ingber, „The Architecture of Life” Scientific American, Jan. 1998
Szerep: 1. mozgás, alakváltozás, 2. sejtosztódás, 3. intracelluláris transzport
1
Polimerizáció a polimer képzıdésének idıbeli folyamata, monomerek egymáshoz kapcsolódása polimer-mennyiség „steady-state”
A polimerizáció fázisai: 1. Lag fázis: nukleáció 2. Növekedési fázis 3. Dinamikus egyensúly
elongáció lag idı
Polimerizációs egyensúlyok • Valódi equilibrium:
• Tread-milling (taposómalom): aktin • Dinamikus instabilitás: mikrotubulusok
2
Mikrofilamentum rendszer (aktin) Aktin monomer: nukleotid
Globuláris (G-) aktin :
2
4
MW: 42,3 kDa, 375 aminosav Nukleotidot (ATP, ADP) köt Kétértékő kationt köt (Ca2+, Mg 2+)
3 1
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
Mikrotubuláris rendszer Tubulin monomer: MW: ~50 kDa, idegszövetben az összfehérje 10-20%-a
α
β
α- és β-tubulin alkot heterodimért GTP vagy GDP nukleotidot köt kicserélhetı (β β ), ill. nem kicserélhetı (α 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
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
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
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
A motorfehérje munkaciklusa δ = munkatávolság
ATP hidrolízis ciklus
munkacsapás
Kapcsolt
τon
kapcsolás
szétkapcsolás visszacsapás
Szétkapcsolt
τoff
Munka arány:
r=
τ 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
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
A három filamentum modell Miofibrillum: Z
Z
szarkomer A-sáv
I-sáv
M-vonal
vastag filamentum
Z-lemez
titin
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
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
Kapcsolat az aktin, miozin és tropomiozin között: az izommőködés alapja
http://www.banyantree.org/jsale/actinmyosin/gif.html
Köszönöm a figyelmet!
12
