Введение
Филаменты в цитоплазме эукариотических клеток
Микрофиламенты, также называемые актиновыми филаментами, – это белковые нити в цитоплазме эукариотических клеток, которые являются частью цитоскелета. Они преимущественно состоят из полимеров актина, но модифицируются и взаимодействуют с многочисленными другими белками в клетке. Микрофиламенты обычно имеют диаметр около 7 нм и состоят из двух спиралей актина. Функции микрофиламентов включают цитокинез, амебоидное движение, подвижность клеток, изменение формы клеток, эндоцитоз и экзоцитоз, сократимость клеток и механическую стабильность. Микрофиламенты гибкие и относительно прочные, они сопротивляются изгибу под воздействием сжимающих сил в несколько пиконьютонов и разрыву под воздействием растягивающих сил в наноньютоны. При обеспечении подвижности клетки один конец актинового филамента удлиняется, а другой сокращается, предположительно, благодаря молекулярным моторам миозина II. Кроме того, они функционируют как часть актомиозиновых сократительных молекулярных моторов, где тонкие филаменты служат платформой для растяжения, обеспечиваемого АТФ-зависимым тяговым действием миозина при сокращении мышц и образовании псевдоподий. Микрофиламенты обладают прочной и гибкой структурой, которая помогает клетке в движении. Актин был впервые обнаружен в скелетных мышцах кроликов в середине 1940-х годов Ф. Б. Штраубом. Почти через 20 лет Х. Э. Хаксли показал, что актин необходим для сокращения мышц. Механизм, посредством которого актин формирует длинные филаменты, был впервые описан в середине 1980-х годов. Последующие исследования показали, что актин играет важную роль в форме клетки, подвижности и цитокинезе.
Организация
Актиновые нити собираются в два основных типа структур: пучки и сети. Пучки могут состоять из упорядоченных массивов полярных нитей, в которых все «колючие» концы направлены к одному и тому же концу пучка, или неполярных массивов, где «колючие» концы направлены к обоим концам. Формирование этих структур определяется классом белков, связывающихся с актином, называемых белками поперечного сшивания. Белки поперечного сшивания определяют ориентацию и расстояние между нитями в пучках и сетях. Регуляцию этих структур осуществляют многие другие классы белков, связывающихся с актином, включая моторные белки, белки ветвления, белки разрушения, промоторы полимеризации и белки, ограничивающие рост.
Самосборка in vitro
Микрофиламенты имеют диаметр около 6 нм и являются самыми тонкими волокнами цитоскелета. Они представляют собой полимеры субединиц актина (глобулярный актин, или G-актин), которые в составе волокна называются филаментарным актином, или F-актином. Каждый микрофиламент состоит из двух спиральных, переплетенных цепей субединиц. Подобно микротрубочкам, актиновые филаменты поляризованы. Электронные микрофотографии подтвердили наличие у них быстро растущих «колючих» концов и медленно растущих «острых» концов. Эта полярность была установлена по рисунку, образующемуся при связывании фрагментов миозина S1, которые сами являются субединицами более крупного белкового комплекса миозина II. «Острый» конец обычно обозначается как минус (-), а «колючий» – как плюс (+). In vitro полимеризация актина, или нуклеация, начинается с самоассоциации трех мономеров G-актина с образованием тримера. Актин, связанный с АТФ, затем присоединяется к «колючему» концу, после чего происходит гидролиз АТФ. Гидролиз АТФ происходит с периодом полураспада около 2 секунд, а период полураспада для диссоциации неорганического фосфата составляет около 6 минут.
Механизм генерации силы
В результате гидролиза АТФ нити удлиняются примерно в 10 раз быстрее на плюсовых концах, чем на минусовых. В стационарном состоянии скорость полимеризации на плюсовом конце соответствует скорости деполимеризации на минусовом конце, и микрофиламенты подвергаются "беговой дорожке". "Беговая дорожка" приводит к удлинению на плюсовом конце и укорочению на минусовом конце, в результате чего нить в целом перемещается. Поскольку оба процесса энергетически выгодны, это означает, что генерируется сила, энергия которой в конечном итоге поступает от АТФ. Специализированные уникальные структуры актинового цитоскелета обнаруживаются вблизи плазматической мембраны. Четыре ярких примера включают эритроциты, эмбриональные клетки почек человека, нейроны и сперматозоиды. В эритроцитах гексагональная решетка спектрина и актина формируется из взаимосвязанных коротких актиновых нитей. В эмбриональных клетках почек человека кортикальный актин образует фрактальную структуру без масштаба. Впервые обнаруженный в аксонах нейронов, актин формирует периодические кольца, стабилизированные спектрином и аддуцином, и эта кольцевая структура, как было показано He et al. в 2016 году, встречается почти во всех типах нейронов и глиальных клеток, по всей видимости, во всех таксонах животных, включая Caenorhabditis elegans, Drosophila, Gallus gallus и Mus musculus. У сперматозоидов млекопитающих актин формирует спиральную структуру в средней части, то есть в первом сегменте жгутика.
Актин действует как путь для двигательной подвижности миозина
Миозиновые моторы — это внутриклеточные АТФ-зависимые ферменты, которые связываются с актиновыми филаментами и перемещаются вдоль них. Различные классы миозиновых моторов демонстрируют существенно различное поведение, включая создание напряжения в клетке и транспорт везикул с грузом.
Предлагаемая модель концы филамента для проточных филаментов
Одна из предлагаемых моделей предполагает существование молекулярных моторов, отслеживающих колющие концы актиновых нитей, называемых "актоклампинами". Предполагаемые актоклампины генерируют движущие силы, необходимые для актин-зависимой подвижности ламеллиподий, филоподий, инвадиподий, дендритных шипиков, внутриклеточных везикул и подвижных процессов в эндоцитозе, экзоцитозе, образовании подсомовых клеток и фагоцитозе. Актоклампинные моторы также приводят в движение такие внутриклеточные патогены, как *Listeria monocytogenes*, *Shigella flexneri*, *Vaccinia* и *Rickettsia*. При сборке в подходящих условиях эти молекулярные моторы, отслеживающие концы нитей, также могут приводить в движение биомиметические частицы. Термин "актоклампин" образован от "acto", указывающего на участие актинового нитя, как в актомиозине, и "clamp", обозначающего зажимное устройство, используемое для укрепления гибких/движущихся объектов и для надежного соединения двух или более компонентов, с добавлением суффикса "in", указывающего на белковое происхождение. Таким образом, белок, отслеживающий конец актинового нитя, можно назвать "клампином". Дикинсон и Пурич отметили, что быстрый гидролиз АТФ может объяснить силы, достигаемые при актин-зависимой подвижности. Термин "актоклампин" является обобщающим и применяется ко всем молекулярным моторам, отслеживающим концы актиновых нитей, независимо от того, управляются ли они активно АТФ-зависимым механизмом или пассивно. Некоторые актоклампины (например, включающие белки Ena/VASP, WASP и N-WASP) по-видимому, требуют инициирования филамента, опосредованного Arp2/3, для формирования ядра актиновой полимеризации, которое затем "загружается" на трекер конца, прежде чем может начаться процессивная подвижность. Для генерации новой нити Arp2/3 требуется "материнская" нить, мономерный АТФ-актин и активирующий домен из ActA *Listeria* или VCA-области N-WASP. Комплекс Arp2/3 связывается с боковой поверхностью материнской нити, образуя Y-образную ветвь под углом 70 градусов к продольной оси материнской нити. Затем, после активации ActA или VCA, считается, что комплекс Arp претерпевает значительные конформационные изменения, приближая две субъединицы белка, связанные с актином, достаточно близко друг к другу для формирования новых ворот нити. Требуется ли гидролиз АТФ для нуклеации и/или высвобождения Y-ветви – вопрос, находящийся в стадии активного исследования.