מיקרופילמנטים: מאפיינים, מבנה, פונקציות, פתולוגיה - ביולוגיה - 2025

Microfilaments או תקטינו חוטים, אחד משלושת המרכיבים העיקריים של שלד התא של תאי איקריוטיים (microfilaments, microtubules ו סיב ביניים) ו מורכבים סיבים קטנים של חלבון יקטין (תקטין פולימרים).

באוקריוטים הגנים המקודדים למיקרופילמנטים של אקטין שמורים ביותר בכל האורגניזמים, וזו הסיבה שהם משמשים לעתים קרובות כסמנים מולקולריים למחקרים מסוגים שונים.

תצלום של חוטי אקטין של תא מוכתם (מקור: הווארד ווינדין באמצעות ויקימדיה Commons)

מיקרו-פילמנטים מופצים ברחבי הציטוזול, אך הם נפוצים במיוחד באזור העומד בבסיס קרום הפלזמה, שם הם יוצרים רשת מורכבת ומתקשרים עם חלבונים מיוחדים אחרים ליצירת שלד הציטוס.

רשתות המיקרופילמנט בציטופלזמה של תאי יונקים מקודדות על ידי שניים מששת הגנים שתוארו לאקטין, המעורבים בדינמיקה של מיקרופילמנטים ואף חשובים מאוד במהלך הבידול של תאי גזע.

מחברים רבים מסכימים שמיקרופילמנטים הם החלבונים המגוונים, הרב-תכליתיים והחשובים ביותר בשלד הציטוס של רוב התאים האוקריוטים, וחשוב לזכור כי אלה אינם נמצאים במיקרואורגניזמים פרוקריוטיים.

בסוג זה של תאים, לעומת זאת, ישנם חוטים הומולוגיים למיקרופילמנטים, אך מורכבים מחלבון אחר: חלבון MreB.

נכון לעכשיו, הגן המקודד לחלבון זה נחשב לגן אבות אפשרי לאקטין באיקריוטים. עם זאת, ההומולוגיה של רצף חומצות האמינו המרכיבות את חלבון ה- MreB היא 15% בלבד ביחס לרצף האקטין.

מכיוון שהם מהווים חלק מהיסוד של שלד הציטוס, כל פגם פנוטיפי הן במיקרו-צינורות והן בחוטי ביניים ובמיקרופילמנטים של אקטין (ציטוס-שלד) יכול לגרום לפתולוגיות תאיות ומערכתיות שונות.

מאפיינים ומבנה

מיקרו-פילמנטים מורכבים ממונומרים חלבונים של אקטין, שהם חלבונים גדולים מאוד בשכבות בתאים אוקריוטיים, מכיוון שהם משתתפים גם בהתכווצות שרירים.

חוטים אלה בעלי קוטר של בין 5 ל 7 ננומטר, וזו הסיבה שהם מכונים גם חוטים דקים ומורכבים משתי צורות של אקטין: הצורה הכדורית (G actin) והצורה הסטרומית (F actin).

החלבונים המשתתפים בציטוס שלד ידועים כ- γ ו- β אקטינים, בעוד שאלו המשתתפים בהתכווצות הם בדרך כלל α אקטינים.

חלקם של האקטין הכדורי והאקטין הפילמטי בציטוזול תלוי בצרכים הסלולריים, מכיוון שהמיקרו-פילמנטים הם מבנים משתנים ורב-תכליתיים, אשר הולכים וגדלים ומתקצרים כל הזמן על ידי פילמור ודפולימרטיזציה.

G actin הוא חלבון כדורי קטן, המורכב מכמעט 400 חומצות אמינו ועם משקל מולקולרי של בערך 43 kDa.

המונומרים G-actin המרכיבים את המיקרופילמנטים מסודרים בצורה של גדיל סלילי, מכיוון שכל אחד עובר פיתול כאשר הוא משויך למשנהו.

G אקטין מקשר למולקולה אחת של Ca2 + ועוד ל- ATP, המייצבות את צורתה הכדורית; ואילו F- אקטין מתקבל לאחר הידרוליזה של הפוספט הסופי של מולקולת ATP לכדי G- אקטין, התורם לפולימור.

אִרגוּן

ניתן לארגן חוטי אקטין ל"צרורות "או" רשתות "שיש להם פונקציות שונות בתאים. הצרורות יוצרים מבנים מקבילים המקושרים על ידי גשרי צלב נוקשים למדי.

רשתות, לעומת זאת, הן מבנים רופפים יותר, כמו רשתות תלת מימדיות עם תכונות של ג'לים מוצקים למחצה.

ישנם חלבונים רבים שקשורים לחוטי אקטין או מיקרו-פילמנטים ומוכרים בשם ABP (חלבוני מחייב אקטין), שיש להם אתרים ספציפיים לכך.

רבים מחלבונים אלה מאפשרים למיקרופילמנטים לקיים אינטראקציה עם שני המרכיבים האחרים של שלד הציטוס: מיקרו-צינורות וחוטי ביניים, כמו גם עם המרכיבים האחרים בפנים הפנימיים של קרום הפלזמה.

חלבונים אחרים שמיקרופילמנטים אינטראקציה איתם כוללים למינאיות גרעיניות וספקטרין (בתאי דם אדומים).

כיצד נוצרים חוטי אקטין?

מכיוון שמונומרים אקטינים כדוריים תמיד נקשרים באותה צורה, מכוונים לאותו כיוון, למיקרו-חוטים יש קוטביות מוגדרת, עם שני קצוות: אחד "יותר" ואחד "פחות".

הקוטביות של חוטים אלה חשובה מאוד מכיוון שהם צומחים בצורה מהירה יותר באופן משמעותי בסופם החיובי, שם מתווספים מונומרים G-actin החדשים.

ייצוג גרפי של היווצרות מיקרופילמנט של אקטין (מקור: עבודה נגזרת: Retama (שיחה) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström באמצעות Wikimedia Commons)

הדבר הראשון שמתרחש במהלך פילמור של חוטי אקטין הוא תהליך המכונה "גרעין", המורכב מהקשר של שלושה מונומרים של החלבון.

לטרימר זה מתווספים מונומרים חדשים בשני קצוותיו, כך שהחוטם צומח. מונומרים G-actin מסוגלים לבצע הידרוליזה של ATP עם כל כריכה, שיש לה השלכות על קצב הפולימרציה, מכיוון שמחלקות האקטין-ATP מתנתקות בקושי רב יותר מאשר חלקי אקטין-ADP.

ATP אינו נחוץ לצורך פילמור והתפקיד הספציפי של ההידרוליזה שלו טרם הוברר.

חלק מהמחברים סבורים כי מכיוון שאירועי פילמור האקטין מתהפכים במהירות, ה- ATP הקשור בתהליכים אלה יכול לייצג עד 40% מסך המחזור הסלולרי של מולקולה אנרגטית זו.

תַקָנָה

גם פילמור של חוטי אקטין וגם דפולימרמורזציה שלהם הם תהליכים המווסתים מאוד על ידי סדרה של חלבונים ספציפיים, האחראים על שיפוץ החוטים.

דוגמאות לחלבונים המווסתים את הדפולימרזציה הם גורם הקופילין של אקטין. לחלבון אחר, פרופילין, יש תפקיד הפוך, מכיוון שהוא ממריץ את הקשר של מונומרים (על ידי גירוי להחלפת ADP ל- ATP).

מאפיינים

חיידקי מיקרופילם מקיימים אינטראקציה עם חוטים מיוזין הקשורים לחלבוני טרנסממברנה שיש להם תחום בציטוזול ואחר בחוץ התא, ובכך הם משתתפים בתהליכי הניידות של התא.

מיקרופילמנטים אלה הקשורים לקרום הפלזמה מתווכים תגובות סלולריות שונות לסוגים שונים של גירויים. לדוגמה, הידבקות תאים ברקמות האפיתל מונעת על ידי חלבונים טרנסמברנריים המכונים קדרינים, המקיימים אינטראקציה עם מיקרופילמנטים לצורך גיוס גורמי תגובה.

חוטי אקטין מקיימים אינטראקציה עם חוטי ביניים וגורמים להעברת גירויים חוץ תאיים לאתרי מפתח כמו ריבוזומים וכרומוזומים בתוך הגרעין.

ייצוג הפונקציה המוטורית התאית של מיקרופילמנטים של אקטין (מקור: Boumphreyfr באמצעות ויקימדיה Commons)

תפקיד קלאסי ונחקר של מיקרופילמנטים הוא היכולת שלהם ליצור "גשרים", "מסילות" או "כבישים מהירים" לתנועה של החלבון המוטורי מיוזין I, המסוגל להעמיס שלפוחית ​​הובלה מאברונים לקרום. פלזמה במסלולי ההפרשה.

מיקרו-פילמנטים מקיימים אינטראקציה גם עם מיוזין II בכדי לבסס את הטבעת התכווצתית שמתהווה במהלך ציטוקינזיס, בדיוק בשלב האחרון של חלוקת התאים כאשר הציטוזול מופרד מתאי גזע ובת.

באופן כללי, מיקרו-פילמנטים של F- אקטין מווסתים את התפלגות האורגנלים מסוימים כמו קומפלקס גולגי, רטריקול אנדופלמזי ומיטוכונדריה. יתר על כן, הם משתתפים גם במיקום המרחבי של mRNAs כך שהם יקראו על ידי ריבוזומים.

כל מערך המיקרופילמנטים הסלולריים, במיוחד אלה שקשורים מקרוב לקרום הפלזמה, משתתפים ביצירת הממברנות הגליות של תאים בעלי תנועה פעילה קבועה.

הם מעורבים גם בהיווצרות מיקרו-ולי ובליטות נפוצות אחרות על פני תאים רבים.

דוגמה לתפקודים בכבד

מיקרופילמנטים משתתפים בתהליך הפרשת המרה בתפקוד הכבד (תאי כבד) וגם בתנועות הפריסטלטיות (התכווצות מתואמת) של התעלות הכבד.

הם תורמים לבידול של תחומי קרום הפלזמה בזכות השיוך שלהם לאלמנטים ציטוזוליים שונים והשליטה שהם מפעילים על הטופוגרפיה של יסודות תאיים אלה.

פתולוגיות קשורות

יש מעט מחלות הקשורות במומים ראשוניים במבנה או בחלבונים ואנזימים רגולטוריים בסינתזה של מיקרופילמנטים, למרות העובדה כי אלה מעורבים ישירות במספר רב של פונקציות.

השיעור הנמוך של מחלות ומומים במבנה הראשוני של מיקרופילמנטים נובע מהעובדה שבאופן כללי ישנם גנים מרובים המקודדים גם לאקטין וגם לחלבונים הרגולטוריים שלו, תופעה המכונה "יתירות גנטית".

אחת הפתולוגיות הנחקרות ביותר היא הזגגה של ביציות על ציטוס שלד שלהן, שם נצפתה הפרעה ברשת של מיקרופילמנטים קליפתיים, כמו גם דה-פולימריזציה וחוסר ארגון של המיקרו-צינורות של הציר המיטוטי.

באופן כללי, ויטריפיקציה זו גורמת לפיזור כרומוזומלי, מכיוון שהיא מובילה לפגיעה בדחיסת כל הכרומטין.

התאים שיש להם ארגון וחלק גדול יותר של מיקרו-פילמנטים בשלד הציטוס שלהם הם תאי השריר המותח, ולכן, רוב הפתולוגיות קשורות לתקלה במנגנון התכווץ.

מיקרופילמנטים פגומים או לא טיפוסיים נקשרו גם הם למחלת העצמות המכונה מחלת פאג'ט.

הפניות

1. Aguilar-Cuenca, R., Llorente-González, C., Vicente, C., and Vicente-Manzanares, M. (2017). דינמיקת הדבקה מתואמת של מיקרופילמנט מניע נדידת תאים בודדים ומעצבת רקמות שלמות. F1000 מחקר, 6.
2. Dos Remedios, CG, Chhabra, D., Kekic, M., Dedova, IV, Tsubakihara, M., Berry, DA, & Nosworthy, NJ (2003). חלבונים הקשורים לאקטין: ויסות של מיקרופילמנטים ציטו-שלדיים. ביקורות פיזיולוגיות, 83 (2), 433-473.
3. Guo, H., Fauci, L., שלי, M., & Kanso, E. (2018). חשיבות לסנכרון של מיקרו-פילמנטים שהופעלו. Journal of Fluid Mechanics, 836, 304-323.
4. Lanza, R., Langer, R., & Vacanti, JP (Eds.). (2011). עקרונות הנדסת רקמות. עיתונות אקדמית.
5. רובינס, ג '(2017). מחלות של ציטוס שלד: הדמימיניופתיות. במיתופתיות לב-לב של ילדים ומבוגרים צעירים (עמ '173-192). עיתונות אקדמית.