2012.02.09.
A citoszkeleton
A citoszkeleton, a motorfehérjék, az izom és működésének szabályozása
• Eukarióta sejtek dinamikus vázrendszere ▫ Három fő filamentum-osztály: 1. Intermedier filamentumok 2. Mikrotubulusok 3. Mikrofilamentumok
PTE ÁOK Biofizikai Intézet Ujfalusi Zoltán 2012. január-február
A citoszkeleton
A citoszkeleton
Aktin dús kéreg
álláb
szubsztrát
aktin polimerizáció és álláb kitüremkedés
• Szubcelluláris, celluláris szintű mozgások • ATP-t (energiát) igényel • Intracelluláris mozgások ▫ Filamentumok kialakulása és lebomlása (mikrofilamentumok és mikrotubulusok) ▫ Motor fehérjék számára biztosítanak „pályát”
fokális kontaktusok
A citoszkeleton • A sejtváz és kontraktilis rendszer három összetevőből áll:
nem polimerizált aktin mozgása álláb további növekedése
retrakció
Az aktin fő
▫ 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.
nukleotid 2
4
Alegység: globuláris (G-) aktin MW: 42,3 kDa, 375 aminosav, 1 molekula kötött adenozin nukleotid (ATP vagy ADP) Szubdomének (4) 3 1
1
2012.02.09.
Az aktin citoszkeleton Az aktin
A mikrotubulusok
Intermedier filamentumok
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
Szövetspecifikus intermedier filamentum típusok
Nukleáris laminok b
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
8 protofilamentum -> filamentum Vimentin dimer szalagdiagramja
2
2012.02.09.
A motorfehérjék
Motorfehérjék közös tulajdonságai N
• 1. Specifikus citoszkeletális filamentumhoz kapcsolódnak • 2. A filamentum mentén elmozdulnak, illetve erőt fejtenek ki • 3. ATP-t bontanak
A motorfehérjék típusai
1. Szerkezet N-terminális globuláris fej: C - motor domén, nukleotidot köt és hasít - 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 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
• 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.
Farok • Szállítmány („cargo”) kötő domén Központi összekötő domén
A miozin az aktin plusz vége felé mozog.
3
2012.02.09.
Miért van szükség molekuláris motorokra ?
endocytosis
• transzport
▫ Kromoszómák pozícionálása sejtosztódásnál ▫ Vezikula transzport a citoplazmába/n (élelem bekebelezése, salakanyagok kiürítése, fehérjék szállítása)
exocytosis
A harántcsíkolt izom szerkezete, az izomműködés és szabályozás molekuláris alapjai
Az izom citoszkeletális filamentumok és motorfehérjék rendezett összeszerveződéséből álló szövet, amely kémiai energiát nagy hatásfokkal alakít át mechanikai munkává.
A harántcsíkolt izom felépítése
Izomtípusok Vázizom (harántcsíkolt)
Szívizom
Simaizom
Több 10 cm hosszú, 50500 μm vastag
100 µm hosszú, 10 µm vastag
50-200 μm, 2-10 μm vastag
Multinukleáris (syncitiumok)
Mononukleáris – miociták hálózata Funkcionális syncitium
Mononukleáris – orsó alakú sejtek
Harántcsíkolat
Harántcsíkolat
Nincsenek miofibrillumok, csak miofilamentumok →nincs harántcsíkolat
Akaratlagos
Nem akaratlagos
Nem akaratlagos
Izomrost
Harántcsíkolt izom
Miofibrillum
Izomrost köteg
Miofilamentumok Vastag filamentumok Vékony filamentumok
Szarkomer
A harántcsíkolt izom működése
Szarkomer
Izomkontrakció
A harántcsíkolt izom szerkezeti és működési egysége.
Elektromos impulzussal ingerelünk egy izomköteget
Összehúzódás, elernyedés
Komplett tetanusz Erő
Inkomplett tetanusz Izomrángás
Elektronmikroszkópos felvétel Idő (ms) Periodikus ingerlés http://www.ks.uiuc.edu/Research/telethonin/
4
2012.02.09.
Izotóniás kontrakció
Izometriás kontrakció
Erő állandó
Izom hossza állandó
Az izom addig húzódik össze, amíg a súllyal megegyező erőt nem fejt ki. Erő tetanusz G
+
-
erő
0
rángás
-
+
hossz Idő Idő G
Csúszófilamentum elmélet
Nyugalmi
Szarkomer
•A-csík változatlan, míg az I-csík rövidül
A-vonal
I-csík
•Nem változik sem az aktin, sem a miozin filamentumok hossza
Z-lemez
H-zóna
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)) A-vonal változatlan
I-csík rövidül
H-zóna rövidül
•Legjobb bizonyíték a hossz-feszülés viszony, minél nagyobb az átfedés, annál nagyobb feszülés •Az elcsúszást a filamentumok közötti kereszthidak elmozdulása okozza •A kontrakciót a SR-ból felszabaduló Ca2+ ionok indítják be
Kontrahált
Rövidült szarkomer
A harántcsíkolt izom teljesítménye Izomteljesítmény: P=F*v
Váz és szívizomban: 1. Tropomiozin 2. Troponin komplex
Aktin-miozin közötti kémiai kötések energiája szab határt
3. Ca 2+
Simaizomban:
ATP elhasítási sebesség max. értékével függ össze A vázizom erő-sebesség diagramja
Vékony filamentum
Mi szabályozza az izmok működését?
Max. kifejtett erő (1,7pN/1 miozin kereszthíd):
Max. sebesség( 6000nm/s):
Vastag filamentum
A könnyű lánc foszforilációja
Max. teljesítmény: A sebesség 1/3-nál Az izom a befektetett kémiai energiát több, mint 50%-os hatékonysággal hasznosítja!
Kagylóizomban: Kálcium kötődése a miozinhoz
5
2012.02.09.
A troponin komplex
Tropomiozin
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.
Az izomműködés szabályozása
• 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.
A szabályozás további lépései Rigor állapot
Az izom aktiválásához szabad kálciumionra van szükség. Idegi szabályozásra a szarkoplazmatikus retikulumból felszabaduló kálcium a citoplazma [Ca2+]-t 1 μM felé emeli.
+ATP -Ca 2+
Nyugalmi állapot + Ca 2+
Aktivált állapot, gyenge kölcsönhatás 1. TnC Ca-t köt
Leválik Pi
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
Aktivált állapot, erőgenerálás ADP leválik
Rigor állapot
6. Be tud kötni a miozin
Köszönöm a figyelmet!
6
