Введение

Кинезин – это белок, принадлежащий к классу моторных белков, обнаруженных в эукариотических клетках. Кинезины перемещаются вдоль микротрубочек (МТ) и используют энергию гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ) для этого (следовательно, кинезины являются АТФазами, типом ферментов). Активное движение кинезинов обеспечивает выполнение нескольких клеточных функций, включая митоз, мейоз и транспорт клеточных грузов, таких как аксональный транспорт и внутриресничковый транспорт. Большинство кинезинов движется к плюсовому концу микротрубочки, что в большинстве клеток означает транспортировку грузов, таких как белки и мембранные компоненты, из центра клетки к периферии. Этот вид транспорта известен как антероградный транспорт. В отличие от них, динеины – это моторные белки, которые движутся к минусовому концу микротрубочки в ретроградном транспорте.

Открытие

Первыми открытыми кинезинами были внутриклеточные транспортные моторы, основанные на микротрубочках и осуществляющие антероградный транспорт, обнаруженные в 1985 году благодаря их подвижности в цитоплазме, выделенной из гигантского аксона кальмара. Основополагающий представитель этого суперсемейства, кинезин 1, был выделен как гетеротетрамерный мотор для быстрого транспорта аксональных органелл, состоящий из четырех субъединиц: двух идентичных моторных субъединиц (называемых молекулами тяжелой цепи кинезина, или KHC) и двух других молекул, известных как легкие цепи кинезина (KLC). Их обнаружили с помощью аффинной очистки микротрубочек из экстрактов нейронных клеток. Впоследствии из экстрактов яйцеклеток/эмбрионов иглокожих был очищен другой, гетеротримерный мотор, направленный к плюс-концу микротрубочек, названный кинезином 2. Он состоит из двух различных моторных субъединиц, родственных KHC, и вспомогательной субъединицы "KAP" и наиболее известен своей ролью в транспорте белковых комплексов (интрафлагелярных транспортных частиц) вдоль аксонем во время цилиогенеза. Молекулярно-генетические и геномные исследования привели к пониманию того, что кинезины формируют разнообразное суперсемейство моторов, отвечающих за множество событий внутриклеточной подвижности в эукариотических клетках. Например, геномы млекопитающих кодируют более 40 белков кинезина, организованных в по меньшей мере 14 семейств, обозначенных как кинезин 1 – кинезин 14.

Общая структура

Члены суперсемейства кинезинов различаются по форме, но прототипический мотор кинезина 1 состоит из двух молекул тяжелой цепи кинезина (KHC), которые образуют белковый димер (молекулярную пару), связывающий две легкие цепи (KLC), уникальные для различных грузов. Тяжелая цепь кинезина 1 состоит из глобулярной головки (моторного домена) на аминотерминальном конце, соединенной посредством короткого гибкого шейного линкера со стеблем – длинного, центрального альфа-спирального домена с перекрестным завитком – который заканчивается карбокситерминальным хвостовым доменом, ассоциирующим с легкими цепями. Стержни двух KHC переплетаются, формируя домен с перекрестным завитком, который направляет димеризацию двух KHC. В большинстве случаев транспортируемый груз связывается с легкими цепями кинезина в последовательности мотива TPR KLC, но в некоторых случаях груз связывается с C-концевыми доменами тяжелых цепей.

Кинезин двигательная область

Голова – отличительная черта кинезина, и её аминокислотная последовательность хорошо сохранена у различных кинезинов. Каждая голова имеет два отдельных сайта связывания: один для микротрубочек, а другой – для АТФ. Связывание и гидролиз АТФ, а также высвобождение АДФ изменяют конформацию доменов, связывающих микротрубочки, и ориентацию шейного линкера относительно головы, что приводит к движению кинезина. Ряд структурных элементов в голове, включая центральный β-лист и домены Switch I и II, участвуют в опосредовании взаимодействия между двумя сайтами связывания и шейным доменом. Кинезины структурно связаны с G-белками, которые гидролизуют ГТФ вместо АТФ. Несколько структурных элементов общие для обеих семейств, особенно домены Switch I и Switch II. [[Файл:Re Zoom. Подробный вид самоингибирования кинезина 1 (показана одна из двух возможных конформаций). Выделено: положительно заряженные остатки (синий) области IAK взаимодействуют в нескольких местах с отрицательно заряженными остатками (красный) моторных доменов. Кроме того, многие представители суперсемейства кинезинов могут самоингибироваться за счет связывания хвостового домена с моторным доменом. Такое самоингибирование может быть снято посредством дополнительной регуляции, например, при связывании с грузом, грузовыми адаптерами или другими белками, ассоциированными с микротрубочками.

Перевозка грузов

В клетке мелкие молекулы, такие как газы и глюкоза, диффундируют туда, где они необходимы. Крупные молекулы, синтезируемые в теле клетки, внутриклеточные компоненты, такие как везикулы, и органеллы, такие как митохондрии, слишком велики (а цитозоль слишком плотный), чтобы диффундировать к месту назначения. Моторные белки выполняют роль транспортировки крупных грузов по клетке к требуемым местам. Кинезины – это моторные белки, которые переносят такие грузы, двигаясь в одном направлении вдоль микротрубочек, гидролизуя одну молекулу аденозинтрифосфата (АТФ) на каждом шаге. Ранее считалось, что гидролиз АТФ обеспечивает энергией каждый шаг, а высвобождаемая энергия проталкивает головку к следующему участку связывания. Однако было предложено, что головка диффундирует вперед, а сила связывания с микротрубочкой обеспечивает перемещение груза. Кроме того, вирусы, например ВИЧ, используют кинезины для транспортировки вирусных частиц после сборки. Существуют значительные доказательства того, что грузы в живых организмах транспортируются несколькими моторами.

Направление движения

Двигательные белки перемещаются в определенном направлении вдоль микротрубочек. Микротрубочки полярны, то есть головки связываются с микротрубочками только в одной ориентации, а связывание АТФ задает направление каждого шага посредством процесса, известного как застегивание шейного линкера. Ранее было известно, что кинезин перемещает груз к плюс (+) концу микротрубочки, также известному как антероградный/ортоградный транспорт. Однако недавно было обнаружено, что в клетках пивных дрожжей кинезин Cin8 (член семейства кинезинов 5) может перемещаться и к минус-концу, то есть осуществлять ретроградный транспорт. Это означает, что эти уникальные гомотетрамеры кинезина дрожжей обладают новой способностью к двунаправленному движению. До сих пор было показано, что кинезин движется к минус-концу только группами, когда моторы скользят в антипараллельном направлении, пытаясь разъединить микротрубочки. Эта двойная направленность наблюдается в идентичных условиях, когда свободные молекулы Cin8 движутся к минус-концу, а сшитые молекулы Cin8 – к плюс-концам каждой сшитой микротрубочки. В одном конкретном исследовании была измерена скорость движения моторов Cin8, результаты показали диапазон примерно от 25 до 55 нм/с в направлении полюсов веретена деления. Было установлено, что при изменении ионных условий отдельные моторы Cin8 могут достигать скорости 380 нм/с. Это нетипично для кинезина, скорее, исключение из обычного направления движения. Другой тип двигательных белков, известный как динеины, движется к минус-концу микротрубочки. Таким образом, они транспортируют груз с периферии клетки к центру. Примером этого может служить транспорт от терминальных бутонов нейронного аксона к телу клетки (соме). Это называется ретроградным транспортом.

Механизм движения

В 2023 году была впервые визуализирована прямая демонстрация "шагов" кинезина вдоль микротрубочки в реальном времени. В механизме "рука за рукой" головки кинезина поочередно переступают друг мимо друга, меняясь лидирующей позицией. Таким образом, на каждом шаге ведущая головка становится отстающей, а отстающая – ведущей. Этот цикл начинается с высвобождения неорганического фосфата (Pi) отстающей головкой в результате гидролиза АТФ. Отстающая головка отсоединяется от микротрубочки и поворачивается вправо, переходя в несвязанное состояние. Ведущая головка связывает АТФ, что вызывает "докинг" шейного линкера к ней, перемещая отстающую головку вокруг ведущей в положение дальше по микротрубочке в направлении движения. Отстающая головка остается несвязанной. АТФ в ведущей головке гидролизуется. Отстающая головка высвобождает свой АДФ и связывается с микротрубочкой, становясь ведущей головкой.

Теоретическое моделирование

Было предложено несколько теоретических моделей молекулярного моторного белка кинезина. Теоретические исследования сталкиваются с рядом трудностей из-за сохраняющейся неопределенности в отношении роли белковых структур, точного механизма преобразования энергии АТФ в механическую работу и влияния тепловых флуктуаций. Это весьма активная область исследований. Особенно востребованы подходы, которые лучше увязывают молекулярную архитектуру белка с данными, полученными в ходе экспериментальных исследований. Динамика отдельных молекул уже достаточно хорошо изучена, однако представляется, что эти наноразмерные машины обычно функционируют в составе больших комплексов. Динамика одной молекулы основана на различных химических состояниях мотора и наблюдениях за его механическими шагами. При низких концентрациях аденозиндифосфата поведение мотора определяется конкуренцией двух химико-механических циклов, определяющих силу сопротивления мотора. Третий цикл приобретает значение при высоких концентрациях АДФ. Недавние экспериментальные исследования показали, что кинезины, перемещаясь вдоль микротрубочек, взаимодействуют друг с другом, причем эти взаимодействия имеют малый радиус действия и являются слабыми (1,6 ± 0,5 КБТ). Одна из разработанных моделей учитывает эти межчастичные взаимодействия. В частности, белки семейства Kinesin 5 действуют внутри веретена деления, раздвигая микротрубочки, а белки семейства Kinesin 13 способствуют деполимеризации микротрубочек.