Sejtváz, aktin mikrofilamentumok, motor fehérjék

1. Sejtváz, aktin mikrofilamentumok, motor fehérjék 2009. Szerk.: Dóczi Judit

2. Sejtváz Az eukarióta sejtek citoplazmájában található, fehérjefonalakból álló hálózat. (~citoszkeleton) Feladatai: -strukturális vázat alkotva, meghatározza a sejtek alakját; -egyes sejtek mozgását biztosítja;(pl. immun, rák) -biztosítja a sejtorganellumok transzportját; -biztosítja a sejtosztódással kapcsolatos mozgásokat és alakváltozásokat;

3. A sejtvázat 3 fő alrendszer alkotja: • Mikrofilamentumok: 7-9 nm átmérőjű aktinfonalakból áll; • Intermedier filamentumok: 10 nm átmérőjűek; • Mikrotubulusok: 24 nm átmérőjű tubulincsövekből áll; • Mindegyik közös jellemzője, hogy fehérjeegységekből épülnek fel, melyeket nem kovalens kötések tartanak össze.

4. Motor fehérjék • Az enzimek egy speciális csoportja, melyek ATP-t (v. GTP-t) használnak fel, hogy elcsússzanak a mikrofilamentumokon vagy a mikrotubulusokon. • Pl. miozin,kinezin,dynein

5. Keratinocyta

6. Mikrofilamentumok: Aktin • Az eukarióta sejtekben legnagyobb mennyiségben előforduló fehérje (kb. 0.5 mM citoplazma koncentráció). • Emberben 6 különböző aktin izoformát kódoló gén található. • Az egyik ‘legkonzerváltabb’ fehérje. • Az α-aktin izomszövetekben található, a β-és γ-aktin más szövetekben ubikviter fehérjék.

7. Aktin • A sejtekben globuláris aktin monomerek (G-aktin) szintetizálódnak és ezek ATP-t vagy ADP-t kötnek (Mg2+ -komplexben).

8. Aktin • A G-aktin monomerek F-aktin filamentumokká polimerizálódnak ATP hidrolízise közben. Ez a polimerizáció reverzibilis, a G-aktin koncentrációjától függően egyensúlyra vezet. • Az F-aktin polarizált, egyik vége gyorsabban növekszik (+vég), mint a másik (-vég).

9. Aktin - Miozin fejek +

10. Aktin CC: kritikus koncentráció, ahol az aktin monomerek egyensúlyban vannak az aktin filamentekkel. CC-=0.8 uM, CC+=0.1 uM

11. Taposómalom (‘Treadmilling’) mechanizmus: Közepes aktin koncentrációnál az aktin egységek gyakorlatilag ‘átfolynak’ a filamentumon, kizárólag a +véghez kötődve és ledisszociálva a –végről. A G-aktin monomerek ATP-t kötve kapcsolódnak a filamentum +végéhez, majd az ATP hidrolizál és ez kedvez a –végen történő ADP-aktin komplex leválásának.

12. Az aktin polimerizáció szabályozható folyamat • A sejtekben található aktin kb. 40 %-a nem polimerizált! ->vmi puffereli…. • Thymosinβ4: G-aktint köt, ami így már nem tud polimerizálódni.(egyik legnagyobb mennyiségben előforduló aktin szekvesztráló fehérje, vérlemezkékben pl. 0.55 mM) • Profilin: elősegíti az ATP-t kötött aktin monomerek kötődését a +véghez (az aktin monomer ATP-kötő helyével szemben kötődik); • Gátlószerek: Citochalasin D a filamentumok polimerizációját, Phalloidin a depolimerizációját gátolja.

13. ‘Severing’: filamentumok fragmentálódása

14. Alakváltozás, mozgás Filopodium Vérlemezkék alakváltozása véralvadáskor Lamellipodium, filopodium, pszeudopodium, microvillus mind aktin-alapú képződmények. Fibroblaszt mozgása

15. A mikrofilamentumok szerveződése meghatározza a sejt alakját. • Az F-aktin a citoplazmában kötegeket és hálózatot is létrehozhat, attól függően hogy milyen keresztkötő fehérjékkel kapcsolódnak össze az aktinrostok. • Az aktinkötegekben párhuzamosan futó aktinfilamentumokat köt össze pl. a fimbrin, α-aktinin. Ilyen található pl. a mikrobolyhokban. • Az aktinhálózatokban egymást keresztező mikrofilamentunok szövevényét, flexibilis keresztkötő fehérjék (pl. filamin) stabilizálják. Ilyen pl. a sejthártya alatti ún. kortikális hálózat, mely a sejthártyához is kapcsolódik.

17. Pl. Duchenne-féle muscularis dystrophia-ban hiányzik a dystrophin fehérje az izomsejtekben (X kromoszómához kötött, recesszíven öröklődő betegség)

18. Miozin: aktin motorfehérjéje • Aktin-aktivált ATP-áz; • 13 izoformát azonosítottak emlős sejtekben ( egy géncsalád termékei); • I. és II. izoforma fordul elő a legnagyobb mennyiségben, II. izoforma domináns az izomszövetben; I.: monomer, II. :dimer; • Közös tulajdonságok: 1 vagy két nehézlánc, néhány könnyű lánc; • Nehéz lánc: fej, nyak, farok rész (domain) Fej (globuláris): Aktin és ATP-kötő hely; Nyakhoz (α-helikális) aszociálódnak a könnyű láncok,melyek regulálják a fej működését. Farok (α-helikális) határozza meg az adott izoforma aktivitását az egyes sejtekben. • Proteázzal történő emésztéssel (pl. chymotrypsin) a fej és nyaki rész elválik a faroktól, (Heavy MeroMiosin és Light MeroMiosin);

19. ‘Csúszó filament’ kísérlet ATP kell!

20. Miozin

21. Miozin II.

22. Izomszövet

23. A miozin fehérjék ATP hidrolízise közben elmozdulnak az aktin filamentum +vége irányába. A miozin fej aktinfilamenthez kötődik, ATP kötés hatására ez a kapcsolat meglazul (1.lépés), majd a miozin ATP-áza hidrolizálja az ATP-t és az ezáltal okozott konformációváltozás a miozinfejet az aktinrost +vége felé mozdítja, majd új aktin-miozin kapcsolat jön létre (2.lépés). Az aktinfilament és a miozin elcsúszik egymáson (3.lépés), majd az ADP leválásával helyreáll az ‘eredeti’ állapot (4. lépés).

25. Miozin I. és V. • I. és V. izoformák membránokhoz asszociálódnak. A sejtorganellumok transzportja során pl. az I. izoforma farki régiójával a vezikula membránjához, feji régiójával pedig az aktinfilamenthez kötődik. A filament +vége irányában mozogva húzza maga után a vezikulumot (ATP-t felhasználva).

26. Vázizom Vázizomban 2 járulékos fehérje regulálja az összehúzódást: -tropomiozin (TM) -troponin (TN), 3 alegységből áll: T, I, C:Ca2+-kötő alegység Ca2+ hiányában (‘off’ mód) a TN-TM komplex megakadályozza a miozin elcsúszását az aktinfilamenten, Ca2+ kötésre a TN-C a TM elmozdulását indukálja úgy, hogy szabaddá válnak a miozinkötő helyek az aktinfilamentumon (‘on’ mód).

27. Simaizom Rho kináz út aktiválódik pl. norepinephrin, angiotensin, hisztamin, endotelin, növekedési faktorok hatására.

28. Aktin és miozin szerepe nem-izom sejtekben • Sejtadhézió: pl. epithel sejtek apikális belső felszínén körbehúzódó aktin-miozin gyűrű, mely a sejtadhéziós molekulákhoz kapcsolódik és így része a sejtek közötti adherens kapcsolatoknak. • Sejtosztódás: aktin-miozin II alkotta kontraktilis gyűrű alakul ki; Miozin II (gén) KO sejtekben a DNS replikálódik, de nem tud osztódni a sejt, ún. sokmagvas sejtek jönnek létre.

29. Jelátviteli utak

30. Mikrotubulusok (MT) • MT: polimer, globuláris tubulinegységekből épül fel. Tubulinegység: heterodimer, mindkét alegység GTP-t köt, az α irreverzibilisen és nem hidrolizálja el, a β reverzibilisen és elhidrolizálja. (Taxol stabilizálja a dimer struktúrát.)

31. Protofilamentumok szerveződése MT: poláris struktúra, + és – vége van. + végen történik a polimerizáció és a depolimerizáció. (Van egy Cc itt is.) A MT stabilitása hőmérsékletfüggő!

32. MT: dinamikus struktúra Ha a tubulinkoncentráció magasabb a Cc-nél: a polimerizáció kétszer olyan gyors a +végen, mint a –végen. Ha közeli a Cc-hez a MT nőhet és rövidülhet is : ha a GTP GDP-vé hidrolizál a +végen, a tubulinmolekulák hajlamossá válnak a disszociációra, a MT rövidül.

33. MT: dinamikus instabilitás a +végen

34. MT: kétféle populáció • Nem stabil, rövid életű MT: mitotikus osztódási orsó, kromoszómák szétválása; • Stabil, hosszú életű MT: pl. spermiumok flagelluma, csillók, neuronok axonja, MTOC;

35. MTOC • MT Organizátor Centrum: MT képződés helye; Állati sejtekben ez ált. a centroszóma, amely centriólumokból (két egymásra merőleges henger: C és C’), és az azt körülvevő amorf pericentriorális anyagból (PC) áll. Az utóbbiban lokalizálódik a γ-tubulin, mely αβ-dimereket megkötve nukleációs régióként szolgál a polimerizáció során. • MT +vég: disztálisan; MT –vég: PC-be ágyazódva;

36. Mitotikus osztódásgátlók • Colchicin, taxol, vinblasztin: specifikusan kötődnek a MT-khoz (αβ-tubulinhoz).Meggátolják a MT polimerizációt, így gátolják a sejtek osztódását. (rákellenes szerek) • pl.Colchicin: irreverzibilisen kötődik a tubulinhoz, minden tubulin dimer rendelkezik egy nagy affinitású colchicin kötőhellyel.

37. MT asszociált fehérjék (MAP)

38. Kinezin, dynein: MT motorfehérjék • Neuron: Vezikulák axonális transzportja a MT-kon történik.

39. AXON a)Vezikulák (üres és teli háromszög) kétirányú transzportja egy filamenten. b) EM kép

40. Kinezin: +vég felé irányító MT motorprotein (anterográd transzport) Kinezin: 2 nehéz lánc és könnyű lánc komplexe. Feji rész (‘motor’) köti az ATP-t és MT-t, a farki részhez kapcsolódnak a vezikulák.

41. Dynein: -vég felé irányító MT motorprotein (retrográd transzport) Dynein önmagában nem képes transzporfunkcióra, csak MT kötő fehérjékkel komplexben. A Dynein könnyű lánca az ún. dynaktin komplexhez kötődik (kék). Ez utóbbi kapcsolódik a membrán alatti spektrinkötegekhez.(Glued alegység köti a vezikulát és a MT-T)

42. A kinezin és dynein fehérjecsalád tagjai szelektíven képesek különböző vezikulákat megkötni, és transzportálni. (a felismerés mechanizmusa még nem tisztázott)

43. Csilló, ostor Axonéma: 1+9 pár MT; Ez rögzül az alapi testhez, amelyben 9 triplet MT van. (Az alapi test iniciálja az ostor kinövését.)

44. Mitózis Mitózis 4 fő szakasza: profázis, metafázis, anafázis, telofázis

45. Mitózis • Metafázisban a mitotikus apparátus ún. mitotikus orsóba és csillagba szerveződik.

46. Centroszóma duplikáció megelőzi a mitózist

47. Mitózis Minden mitotikus orsóban 3 különböző MT szerveződik a centrosoma-ba: -csillag (astral), -kinetochore, -sarki (polar). Kinetochore: MT rögzülési pontja a centromer-en.

48. A késői profázisban a –vég felé irányító motorproteinek (narancs) rendezik el a MT-kat. Metafázis és később az anafázis során +vég felé irányító motorok (sárga) vesznek részt a centroszóma szétválásában, melyek a KRP: kinesin-related protein családba tartoznak, pl. BimC. Párhuzamosan citoszolikus dyneinek (zöld) húzzák a csillagokat a pólusok felé (-vég irányában).

49. Kinetochore generálja a húzóerőt a kromoszóma szétválasztásához A kinetochore ‘elkapja’ a +véget. Majd a -vég felé irányító motor (zöld) vagy a +vég felé irányító motor (rózsaszín) húzza a kromoszómát a pólusok felé, míg a CENP-E nevű fehérje (piros) horgonyozza le az egyre rövidülő MT-t a kinetochore-hoz. A sarki MT-ok pedig a két kromatida karra fejtenek ki húzóerőt polimerizációjukkal.