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.
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.
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.