Эукариотикалық моторлық ақуыз – кинезин. Микротүтікшелер бойымен қозғалып, жасуша функцияларын (митоз, мейоз, тасымалдау) қамтамасыз етеді. АТФ энергиясын пайдаланады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Эукариоттық моторлық ақуыз
Eukaryotic motor protein
Кинезин – эукариоттық жасушаларда кездесетін моторлық ақуыздар класына жататын ақуыз. Кинезиндер микротубула (МТ) жіпшелерімен қозғалады және аденозин трифосфатының (АТФ) гидролизі арқылы қуаттанады (сондықтан кинезиндер АТФазалар, ферменттердің бір түрі). Кинезиндердің белсенді қозғалысы митоз, мейоз және аксоналық тасымалдау, интрафлагеллярлық тасымалдау сияқты жасушалық жүкті тасымалдауды қоса алғанда, бірнеше жасушалық функцияларды қолдайды. Көптеген кинезиндер микротубуланың плюс полюсіне қарай қозғалады, бұл көптеген жасушаларда белок және мембраналық компоненттер сияқты жүкті жасушаның ортасынан шетіне қарай тасымалдауды білдіреді. Бұл тасымалдау түрі антероградтық тасымалдау деп аталады. Керісінше, динеиндер – бұл ретроградтық тасымалдауда микротубуланың минус полюсіне қарай қозғалатын моторлық ақуыздар.
A kinesin is a protein belonging to a class of motor proteins found in eukaryotic cells. Kinesins move along microtubule (MT) filaments and are powered by the hydrolysis of adenosine triphosphate (ATP) (thus kinesins are ATPases, a type of enzyme). The active movement of kinesins supports several cellular functions including mitosis, meiosis and transport of cellular cargo, such as in axonal transport, and intraflagellar transport. Most kinesins walk towards the plus end of a microtubule, which, in most cells, entails transporting cargo such as protein and membrane components from the center of the cell towards the periphery. This form of transport is known as anterograde transport. In contrast, dyneins are motor proteins that move toward the minus end of a microtubule in retrograde transport.
Ашылу
1985 жылы кальмардың алып аксонынан алынған цитоплазмадағы қозғалыс қабілетіне негізделген, микротүтікшеге негізделген алғашқы кинезиндер табылды. Бұл суперотбасының негізін қалаушы мүшесі – кинезин 1, төрт бөліктен тұратын гетеротетрамерлі, жылдам аксоналдық органеллаларды тасымалдайтын қозғалтқыш ретінде оқшауланды: екі бірдей моторлық кішібірлік (кинезин ауыр тізбегі (KHC) молекулалары деп аталады) және әрқайсысы кинезин жеңіл тізбегі (KLC) деп аталатын тағы екі молекула. Бұл микротүтікшелерге байланыстылығы арқылы нейрондық жасушалардың экстракттерінен тазарту арқылы анықталды. Кейіннен, эхинодерма жұмыртқасы/эмбрион экстракттерінен тазартылған және кілшелердегі аксонемалар бойымен ақуыздық кешендерді (интрафлагельді тасымалдау бөлшектері) тасымалдаудағы рөлімен танымал, екі түрлі KHC-ге байланысты моторлық кішібірліктерден және қосымша "KAP" кішібірлігінен тұратын кинезин 2 деп аталатын басқа гетеротримерлік, плюс-соңғы бағытталған МТ негізделген мотор табылды. Молекулалық генетикалық және геномдық тәсілдер кинезиндердің эукариоттық жасушалардағы көптеген жасушалық қозғалыс оқиғаларына жауапты, әртүрлі моторлардың суперотбасын құрайтынын анықтауға мүмкіндік берді. Мысалы, сүтқоректілердің геномдары кинезиннің 14 туысына бөлінген 40-тан астам протеинін кодтайды.
The first kinesins to be discovered were microtubule based anterograde intracellular transport motors in 1985, based on their motility in cytoplasm extruded from the giant axon of the squid. The founding member of this superfamily, kinesin 1, was isolated as a heterotetrameric fast axonal organelle transport motor consisting of four parts: two identical motor subunits (called Kinesin Heavy Chain (KHC) molecules) and two other molecules each known as a Kinesin Light Chain (KLC). These were discovered via microtubule affinity purification from neuronal cell extracts. Subsequently, a different, heterotrimeric plus end directed MT based motor named kinesin 2, consisting of two distinct KHC related motor subunits and an accessory "KAP" subunit, was purified from echinoderm egg/embryo extracts and is best known for its role in transporting protein complexes (intraflagellar transport particles) along axonemes during ciliogenesis. Molecular genetic and genomic approaches have led to the recognition that the kinesins form a diverse superfamily of motors that are responsible for multiple intracellular motility events in eukaryotic cells. For example, the genomes of mammals encode more than 40 kinesin proteins, organized into at least 14 families named kinesin 1 through kinesin 14.
Жалпы құрылым
Кинезиндер суперотбасының мүшелері пішін жағынан әртүрлі, бірақ прототиптік кинезин 1 моторы екі кинезин ауыр тізбегінен (KHC) тұрады, олар екі жеңіл тізбекті (KLC) байланыстыратын ақуыз димерін (молекула жұбы) құрайды, және олар әртүрлі жүктер үшін ерекше. Кинезин 1 ауыр тізбегінің аминдық терминальдың соңындағы шар тәрізді басы (моторлық домен) қысқа, икемді мойын байланыстырғышы арқылы сабаққа жалғасқан. Сабақ – ұзақ, орталық альфа спиральді оралмалы домен – жеңіл тізбектермен байланысатын карбоксильдік терминальдың құйрық доменімен аяқталады. Екі KHC-ның сабақтары екі KHC-ның димеризациясын қамтамасыз ететін оралған орама құру үшін бір-бірімен тоқуға түседі. Көбінесе тасымалданатын жүк KLC-тің TPR мотивтік тізбегінде кинезин жеңіл тізбектеріне байланысады, бірақ кейбір жағдайларда жүк ауыр тізбектердің C-терминальдық домендеріне байланысады.
Members of the kinesin superfamily vary in shape but the prototypical kinesin 1 motor consists of two Kinesin Heavy Chain (KHC) molecules which form a protein dimer (molecule pair) that binds two light chains (KLCs), which are unique for different cargos. The heavy chain of kinesin 1 comprises a globular head (the motor domain) at the amino terminal end connected via a short, flexible neck linker to the stalk – a long, central alpha helical coiled coil domain – that ends in a carboxy terminal tail domain which associates with the light chains. The stalks of two KHCs intertwine to form a coiled coil that directs dimerization of the two KHCs. In most cases transported cargo binds to the kinesin light chains, at the TPR motif sequence of the KLC, but in some cases cargo binds to the C terminal domains of the heavy chains.
Кинэзинді моторлық сала
Бас – кинезиннің ерекше белгісі, оның аминқышқылдарының тізбегі әртүрлі кинезиндер арасында жақсы сақталады. Әрбір басында екі бөлек байланыс орны бар: біреуі микротубульге, екіншісі АТФ-қа. АТФ байланысы және гидролизі, сондай-ақ АДФ-тің бөлінуі микротубульмен байланысатын домендердің конформациясын және мойын байланыстырғышының баска қатысты бағытын өзгертеді; нәтижесінде кинезин қозғалады. Бастағы бірнеше құрылымдық элементтер, оның ішінде орталық бета-парақ домені және Switch I және II домендері, екі байланыс орны мен мойын домені арасындағы өзара әрекеттесуді қамтамасыз етеді деп саналады. Кинезиндер құрылымдық тұрғыдан G-белоктарымен байланысты, олар АТФ орнына ГТФ-ны гидролиздейді. Екі отбасы арасында бірнеше құрылымдық элементтер ортақ, атап айтқанда Switch I және Switch II домендері. [[Файл:Re Zoom. Кинезин 1-нің өзін-өзі тежеуінің егжей-тегжейлі суреті (көрсетілген екі мүмкін конформацияның бірі). Назарда болсын: IAK аймағының оң зарядталған қалдықтары (көк түс) мотор домендерінің теріс зарядталған қалдықтарымен (қызыл түс) бірнеше жерде өзара әрекеттеседі. Сонымен қатар, кинезин суперотбасының көптеген мүшелері құйрық доменінің мотор доменіне байланысуы арқылы өзін-өзі тежеуге қабілетті. Мұндай өзін-өзі тежеуді жүкке, жүк адаптерлеріне немесе басқа микротубульге байланысты белоктарға байланысу сияқты қосымша реттеу арқылы жеңілдетуге болады.
The head is the signature of kinesin and its amino acid sequence is well conserved among various kinesins. Each head has two separate binding sites: one for the microtubule and the other for ATP. ATP binding and hydrolysis as well as ADP release change the conformation of the microtubule binding domains and the orientation of the neck linker with respect to the head; this results in the motion of the kinesin. Several structural elements in the head, including a central beta sheet domain and the Switch I and II domains, have been implicated as mediating the interactions between the two binding sites and the neck domain. Kinesins are structurally related to G proteins, which hydrolyze GTP instead of ATP. Several structural elements are shared between the two families, notably the Switch I and Switch II domain. [[File:Re Zoom. gif|thumb|Detailed view of kinesin 1 self inhibition (one of two possible conformations shown). Highlight: positively charged residues (blue) of the IAK region interact at multiple locations with negatively charged residues (red) of the motor domains In addition, many members of the kinesin superfamily can be self inhibited by the binding of tail domain to the motor domain. Such self inhibition can then be relieved via additional regulation such as binding to cargo, cargo adapters or other microtubule associated proteins.
Жүк тасымалы
Жасушада газ бен глюкоза сияқты кішкентай молекулалар қажетті жерге таралады. Жасуша денесінде синтезделетін ірі молекулалар, митохондриялар сияқты көпіршіктер мен органеллалар сияқты ішкі компоненттер тым үлкен (және цитозол тым тығыз) болғандықтан, олар өздерінің түпкілікті жерлеріне таралуға қабілетсіз. Моторлы ақуыздар үлкен жүкті жасуша ішінде қажетті жерге тасымалдау рөлін атқарады. Кинезиндер – бұл жүкті бір бағытта микротубулалардың бойымен жылжытып, әр қадамда аденозин трифосфатының (АТФ) бір молекуласын гидролиздейтін моторлы ақуыздар. Бұрын әр қадам АТФ гидролизімен қамтамасыз етіледі деп есептелген, босатылған энергия басты келесі байланыс орнына жылжытады деп ойлаған. Алайда, бас алға таралып, микротубулаға байланысу күші жүкті итеріп жылжытады деген гипотеза ұсынылған. Сонымен қатар, вирустар, мысалы, ВИЧ, кинезиндерді пайдаланып, құрастырылғаннан кейін вирус бөлшектерін тасымалдауға қолданады. Жүктің көптеген моторлар арқылы тасымалданатынына дәлелдер жеткілікті.
In the cell, small molecules, such as gases and glucose, diffuse to where they are needed. Large molecules synthesised in the cell body, intracellular components such as vesicles and organelles such as mitochondria are too large (and the cytosol too crowded) to be able to diffuse to their destinations. Motor proteins fulfill the role of transporting large cargo about the cell to their required destinations. Kinesins are motor proteins that transport such cargo by walking unidirectionally along microtubule tracks hydrolysing one molecule of adenosine triphosphate (ATP) at each step. It was thought that ATP hydrolysis powered each step, the energy released propelling the head forwards to the next binding site. However, it has been proposed that the head diffuses forward and the force of binding to the microtubule is what pulls the cargo along. In addition viruses, HIV for example, exploit kinesins to allow virus particle shuttling after assembly. There is significant evidence that cargoes in vivo are transported by multiple motors.
Қозғалыс бағыты
Моторлы ақуыздар микротүтіктер арқылы белгілі бір бағытта қозғалады. Микротүтіктер полярлы; яғни, бастары микротүтікке тек бір бағытта ғана байланады, ал АТФ байланысы әр қадамға мойынтықтағы линкердің «циптелуі» деп аталатын процесс арқылы бағыт береді. Бұрын кинезиннің микротүтіктердің плюс (+) жағына қарай жүкті жылжытатыны белгілі болған, бұл антероградтық/ортоградтық тасымалдау деп те аталады. Алайда, жақында ашылғандай, қамыр дрожжасындағы кинезин Cin8 (Кинезин 5 отбасының мүшесі) минус жағына қарай, яғни ретроградтық тасымалдауға қарай да қозғала алады. Бұл дегеніміз, осы ерекше дрожжа кинезинінің гомотетрамерлері екі бағытта қозғалу қабілетіне ие. Кинезинге дейін тек топта болғанда ғана минус жағына қарай қозғалатыны белгілі болған, онда моторлар микротүтіктерді бөлуге тырысатын антипараллель бағытта сығады. Бұл екі бағыттылық бірдей жағдайларда байқалды, онда бос Cin8 молекулалары минус жағына қарай қозғалса, ал байланысқан Cin8 әрбір байланысқан микротүтіктің плюс жағына қарай қозғалды. Бір нақты зерттеуде Cin8 моторларының жылдамдығы тексерілді, нәтижелері шпиндель полюстерінің бағытында шамамен 25-55 нм/с аралығын көрсетті. Жеке алғанда, иондық жағдайларды өзгерту арқылы Cin8 моторларының 380 нм/с жылдамдыққа жете алатыны анықталды. Кинезин 14 отбасылық ақуыздарындағы (мысалы, Drosophila melanogaster NCD, қамыр дрожжасы KAR3 және Arabidopsis thaliana ATK5) бұл жаңалық кинезинге микротүтіктердің минус жағына қарай, кері бағытта жүруге мүмкіндік береді. Бұл кинезинге тән емес, керісінше, қозғалыстың қалыпты бағытынан ауытқу болып табылады. Динеиндер деп аталатын моторлы ақуыздың тағы бір түрі микротүтіктердің минус жағына қарай қозғалады. Осылайша, олар жүкті клетканың шетінен ортасына қарай тасымалдайды. Мысалы, нейрон аксонының терминалдық түйіндерінен жасуша денесіне (сомаға) жүзеге асырылатын тасымалдау осыған жатады. Бұл ретроградтық тасымалдау деп аталады.
Motor proteins travel in a specific direction along a microtubule. Microtubules are polar; meaning, the heads only bind to the microtubule in one orientation, while ATP binding gives each step its direction through a process known as neck linker zippering. It has been previously known that kinesin move cargo towards the plus (+) end of a microtubule, also known as anterograde transport/orthograde transport. However, it has been recently discovered that in budding yeast cells kinesin Cin8 (a member of the Kinesin 5 family) can move toward the minus end as well, or retrograde transport. This means, these unique yeast kinesin homotetramers have the novel ability to move bi directionally. Kinesin, so far, has only been shown to move toward the minus end when in a group, with motors sliding in the antiparallel direction in an attempt to separate microtubules. This dual directionality has been observed in identical conditions where free Cin8 molecules move towards the minus end, but cross linking Cin8 move toward the plus ends of each cross linked microtubule. One specific study tested the speed at which Cin8 motors moved, their results yielded a range of about 25 55 nm/s, in the direction of the spindle poles. On an individual basis it has been found that by varying ionic conditions Cin8 motors can become as fast as 380 nm/s. This discovery in kinesin 14 family proteins (such as Drosophila melanogaster NCD, budding yeast KAR3, and Arabidopsis thaliana ATK5) allows kinesin to walk in the opposite direction, toward microtubule minus end. This is not typical of kinesin, rather, an exception to the normal direction of movement. Another type of motor protein, known as dyneins, move towards the minus end of the microtubule. Thus, they transport cargo from the periphery of the cell towards the center. An example of this would be transport occurring from the terminal boutons of a neuronal axon to the cell body (soma). This is known as retrograde transport.
Жылжыту механизмі
2023 жылы кинезиннің микротүтікше бойымен «жүруі» нақты уақытта тікелей бейнеленгені хабарланды. «Қолдан қолға» механизмінде кинезиннің бастары бірін-бірі басып өтеді, жетекші позицияны кезекпен алмастырады. Осылайша, әр қадамда жетекші бас артта қалған басқа, ал артта қалған бас жетекші басқа айналады. Бұл цикл АТФ гидролизінен пайда болған бейорганикалық фосфатты (Pi) босатумен басталады. Артта қалған бас микротүтікшеден ажыратылып, оңға қарай жылған бос күйге өтеді. Жетекші бас АТФ-ты байланыстырады, бұл мойын байланыстырғышының оған бекітілуіне себеп болады, содан кейін артта қалған бас жетекші басқа қарап, микротүтікшенің бойымен қозғалыс бағытында жаңа позицияға итереді. Артта қалған бас бос күйінде қалады. Жетекші бастағы АТФ гидролизденеді. Артта қалған бас өзінің АДФ-ын босатып, микротүтікшеге байланысып, жетекші басқа айналады.
In 2023 direct visualization of kinesin "walking" along a microtubule in real time was reported. In a "hand over hand" mechanism, the kinesin heads step past one another, alternating the lead position. Thus in each step the leading head becomes the trailing head, while the trailing head becomes the leading head. This cycle begins with the trailing head releasing inorganic phosphate (Pi) derived from the hydrolysis of ATP. The trailing head detaches from the microtubule and rotates into its rightward displaced unbound state. The leading head binds ATP which causes the neck linker to dock to it, which moves the trailing head around the leading head into a position further along the microtubule in the direction of travel. The trailing head remains unbound. The ATP in the leading head is hydrolyzed. The trailing head releases its ADP and the binds to the microtubule becoming the leading head.
Теориялық модельдеу
Молекулалық моторлы протеин кинезиніне қатысты бірқатар теориялық модельдер ұсынылды. Теориялық зерттеулерде көптеген қиындықтар кездеседі, себебі ақуыздық құрылымдардың рөлі, АТФ-тан энергияның механикалық жұмысқа айналуының нақты механизмі және жылулық флуктуациялардың әсері туралы әлі де толыққанды белгісіздіктер бар. Бұл өте белсенді зерттеу саласы. Әсіресе, протеиннің молекулалық архитектурасы мен эксперименттік зерттеулерден алынған деректерді байланыстыратын жаңа тәсілдерге қажеттілік туындайды. Жеке молекуланың динамикасы жақсы сипатталған, бірақ осы наноөлшемді машиналар көбінесе үлкен топтарда жұмыс істейтіндей көрінеді. Жеке молекула динамикасы мотордың ерекше химиялық күйлеріне және оның механикалық қадамдарына жасалған бақылауларға негізделген. Аденозин дифосфатының төмен концентрациясында мотордың мінез-құлқы екі химикомеханикалық циклдің бәсекелесуімен анықталады, бұл циклдар мотордың тоқтау күшін анықтайды. АДФ концентрациясы жоғары болғанда үшінші цикл маңызды бола бастайды. Жақында жүргізілген эксперименттік зерттеулер кинезиндердің микротүтіктермен қозғалғанда бір-бірімен өзара әрекеттесетінін көрсетті, бұл өзара әрекеттесулер қысқа қашықтықта болады және әлсіз тартымды күшке (1.6±0.5 KBT) ие. Дамытылған модельдердің бірі осы бөлшектердің өзара әрекеттесуін ескереді. Атап айтқанда, Kinesin 5 отбасы ақуыздары орау ішінде микротүтіктерді ығыстыруға қатысады, ал Kinesin 13 отбасы микротүтіктерді деполимеризациялауға қатысады.
A number of theoretical models of the molecular motor protein kinesin have been proposed. Many challenges are encountered in theoretical investigations given the remaining uncertainties about the roles of protein structures, the precise way energy from ATP is transformed into mechanical work, and the roles played by thermal fluctuations. This is a rather active area of research. There is a need especially for approaches which better make a link with the molecular architecture of the protein and data obtained from experimental investigations. The single molecule dynamics are already well described but it seems that these nano scale machines typically work in large teams. Single molecule dynamics are based on the distinct chemical states of the motor and observations about its mechanical steps. For small concentrations of adenosine diphosphate, the motor's behaviour is governed by the competition of two chemomechanical motor cycles which determine the motor's stall force. A third cycle becomes important for large ADP concentrations. Recent experimental research has shown that kinesins, while moving along microtubules, interact with each other, the interactions being short range and weak attractive (1.6±0.5 KBT). One model that has been developed takes into account these particle interactions, Specifically, Kinesin 5 family proteins act within the spindle to slide microtubules apart, while the Kinesin 13 family act to depolymerize microtubules.