Введение
Класс молекулярных белков
Моторные белки — это класс молекулярных моторов, способных перемещаться вдоль цитоскелета клеток. Они преобразуют химическую энергию в механическую работу посредством гидролиза АТФ. Однако вращение жгутика обеспечивается протонным насосом.
Функции клеток
Движущие белки обеспечивают большинство видов активного транспорта белков и везикул в цитоплазме. Кинезины и цитоплазматические динеины играют ключевую роль во внутриклеточном транспорте, таком как аксональный транспорт, а также в формировании веретена деления и расхождении хромосом во время митоза и мейоза. Аксонемальный динеин, содержащийся в ресничках и жгутиках, необходим для подвижности клеток, например, сперматозоидов, и транспорта жидкости, например, в трахее. Мышечный белок миозин обеспечивает сокращение мышечных волокон у животных.
Болезни, связанные с дефектами моторных белков
Важность моторных белков в клетках становится очевидной, когда они не справляются со своей функцией. Например, дефицит кинезина был установлен как причина болезни Шарко — Мари — Тута и некоторых заболеваний почек. Дефицит динеина может приводить к хроническим инфекциям дыхательных путей, поскольку реснички не функционируют без динеина. Многочисленные дефекты миозина связаны с различными заболеваниями и генетическими синдромами. Поскольку миозин II необходим для сокращения мышц, дефекты мышечного миозина закономерно вызывают миопатии. Миозин необходим для процесса слуха из-за его роли в росте стереоцилий, поэтому дефекты в структуре белка миозина могут приводить к синдрому Ушера и несиндромиальной глухоте.
Моторные белки цитоскелета
Двигательные белки, использующие цитоскелет для передвижения, делятся на две категории в зависимости от субстрата, с которым они взаимодействуют: микрофиламенты или микротрубочки. Актиновые двигатели, такие как миозин, перемещаются вдоль микрофиламентов посредством взаимодействия с актином, а двигатели микротрубочек, такие как динеин и кинезин, перемещаются вдоль микротрубочек посредством взаимодействия с тубулином. Существуют два основных типа двигателей микротрубочек: двигатели, движущиеся к плюсовому концу, и двигатели, движущиеся к минусовому концу, в зависимости от направления их "движения" вдоль микротрубочек внутри клетки.
Кинезин
Кинезины — это суперсемейство родственных моторных белков, использующих микротрубочки для антероградного движения. Они жизненно важны для формирования веретена деления при митотическом и мейотическом разделении хромосом во время клеточного деления, а также отвечают за транспорт митохондрий, аппарата Гольджи и везикул в эукариотических клетках. Кинезины состоят из двух тяжелых и двух легких цепей на один активный мотор. Два глобулярных головных моторных домена в тяжелых цепях способны преобразовывать химическую энергию гидролиза АТФ в механическую работу для движения вдоль микротрубочек. Направление транспортировки груза может быть к плюсу или минусу микротрубочки, в зависимости от типа кинезина. В общем, кинезины с N-концевыми моторными доменами перемещают груз к плюс-концам микротрубочек, расположенным на периферии клетки, в то время как кинезины с C-концевыми моторными доменами перемещают груз к минус-концам микротрубочек, расположенным в ядре. Известно четырнадцать различных семей кинезинов, а также некоторые дополнительные кинезиноподобные белки, которые нельзя отнести к этим семействам. Геномная организация кинезиновых двигателей: семейство динеинов имеет две основные ветви. Аксонемальные динеины обеспечивают биение ресничек и жгутиков посредством быстрых и эффективных скользящих движений микротрубочек. Другая ветвь — цитоплазматические динеины, которые облегчают транспорт внутриклеточных грузов. По сравнению с 15 типами аксонемальных динеинов, известно только две цитоплазматические формы. Геномная организация динеиновых двигателей: растительные клетки отличаются от животных клеток наличием клеточной стенки. Во время митоза новая клеточная стенка формируется путем образования клеточной пластинки, начинающейся из центра клетки. Этот процесс облегчается фрагмопластом — массивом микротрубочек, уникальным для митоза растительных клеток. Для построения клеточной пластинки и, в конечном итоге, новой клеточной стенки требуются кинезиноподобные моторные белки. Другим моторным белком, необходимым для деления растительных клеток, является кинизин-подобный белок, связывающий кальмодулин (KCBP), который уникален для растений и представляет собой гибрид кинизина и миозина.
Другие молекулярные двигатели
Кроме упомянутых выше моторных белков, существует множество других типов белков, способных генерировать силы и крутящий момент в клетке. Многие из этих молекулярных двигателей широко распространены как в прокариотических, так и в эукариотических клетках, хотя некоторые, например, участвующие в работе с элементами цитоскелета или хроматином, уникальны для эукариот. Моторный белок престин, экспрессируемый во внешних волосковых клетках улитки млекопитающих, обеспечивает механическое усиление в улитке. Он является прямым преобразователем напряжения в силу, работающим с частотой микросекунд и обладающим пьезоэлектрическими свойствами.